考研-计算机网络-第二学时-物理层省名师优质课赛课获奖课件市赛课一等奖课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢。本资料仅供参考，不能作为科学依据。感谢,计算机网络,物理层,1/67,物理层,1 物理层基本概念,2 数据通信基础知识,2.1 数据通信系统模型,2.2 相关信道几个基本概念,2.3 信道最高码元传输速率,2.4 信道极限信息传输速率,3 物理层下面传输媒体,3.1 导向传输媒体,3.2 非导向传输媒体,2/67,物理层（续）,4 模拟传输与数字传输,4.1 模拟传输系统,4.2 调制解调器,4.3 数字传输系统,5 信道复用技术,5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,5.2 波分复用,5.3 码分复用,6 同时光纤网SONET和同时数字系列SDH,7 物理层标准举例,7.1 EIA-232-E接口标准,7.2 RS-449接口标准,3/67,1,物理层基本概念,物理层主要任务描述为确定与传输媒体接口一些特征，即：,机械特征 指明接口所用接线器形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。,电气特征 指明在接口电缆各条线上出现电压范围。,功效特征 指明某条线上出现某一电平电压表示何种意义。,规程特征 指明对于不一样功效各种可能事件出现次序。,4/67,2 数据通信基础知识,2.1 数据通信系统模型,传输,系统,输入信息,输入数据,发送,信号,接收,信号,输出数据,源点,终点,发送器,接收器,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,正文,正文,数据通信系统,源系统,目标系统,传输系统,输出信息,PC 机,5/67,几个术语,数据(data)运输信息实体。,信号(signal)数据电气或电磁表现。,“模拟”(analogous)连续改变。,“数字”(digital)取值是离散数值。,调制把数字信号转换为模拟信号过程。,解调把模拟信号转换为数字信号过程。,6/67,模拟和数字数据、信号,模拟数据,模拟信号,放大器,调制器,模拟数据,数字信号,PCM,编码器,数字数据,模拟信号,调制器,数字数据,数字信号,数字,发送器,7/67,2.2 相关信号几个基本概念,单向通信,（单工通信）只能有一个方向通信而没有反方向交互。,双向交替通信,（半双工通信）通信双方都能够发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。,双向同时通信,（全双工通信）通信双方能够同时发送和接收信息。,8/67,基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号,基带信号,就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不一样电压来表示，然后送到线路上去传输。,宽带信号,则是将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号。,9/67,2.3 信道最高码元传输速率,任何实际信道都不是理想，在传输信号时会产生各种失真以及带来各种干扰。,码元传输速率越高，或信号传输距离越远，在信道输出端波形失真就越严重。,10/67,数字信号经过实际信道,失真不严重,失真严重,实际信道,（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输入信号波形,输出信号波形,(失真不严重),输入信号波形,实际信道,（带宽受限、有噪声、干扰和失真）,输出信号波形,(失真严重),11/67,奈氏(Nyquist)准则,每赫带宽理想低通信道最高码元传输速率是每秒,2,个码元。,Baud 是,波特,，是,码元,传输速率单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。,理想低通信道,最高码元传输速率=2,W,Baud,W,是理想低通信道带宽，单位为赫(Hz),不能经过,能经过,0,频率(Hz),W,(Hz),12/67,另一个形式奈氏准则,每赫带宽理想低通信道最高码元传输速率是每秒,1,个码元。,理想带通特征信道,最高码元传输速率=,W,Baud,W,是理想带通信道带宽，单位为赫(Hz),不能经过,能经过,0,频率(Hz),W,(Hz),不能经过,13/67,要强调以下两点,实际信道所能传输最高码元速率，要显著地低于奈氏准则给出上限数值。,波特(Baud)和比特(bit)是两个不一样概念。,波特,是码元传输速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为,调制速率,、,波形速率,或,符号速率,。,比特,是信息量单位。,14/67,要注意,信息传输速率“,比特/秒,”与码元传输速率“,波特,”,在数量上,却有一定关系。,若 1 个码元只携带 1 bit 信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。,若 1 个码元携带,n,bit 信息量，则,M,Baud 码元传输速率所对应信息传输速率为,M,n,b/s。,15/67,2.4 信道极限信息传输速率,香农(,Shannon)用信息论理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰信道,极限,、,无差错,信息传输速率。,信道极限信息传输速率,C,可表示为,C,=,W,log2(1+,S,/,N,)b/s,W,为信道带宽（以 Hz 为单位）；,S,为信道内所传信号平均功率；,N,为信道内部高斯噪声功率。,16/67,香农公式表明,信道带宽或信道中信噪比越大，则信息极限传输速率就越高。,只要信息传输速率低于信道极限信息传输速率，就一定能够找到某种方法来实现无差错传输。,若信道带宽,W,或信噪比,S,/,N,没有上限（当然实际信道不可能是这么），则信道极限信息传输速率,C,也就没有上限。,实际信道上能够到达信息传输速率要比香农极限传输速率低不少。,17/67,奈氏准则和香农公式在数据通信系统中作用范围,源系统,传输系统,目标系统,传输,系统,源点,终点,发送器,接收器,输入信息,输出信息,输入数据,输出数据,发送,信号,接收,信号,码元传输速率受,奈氏准则限制,信息传输速率受,香农公式限制,18/67,3 物理层下面传输媒体,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅,无线电,调频,无线电,海事,无线电,光纤,电视,(Hz),f,(Hz),f,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,10,13,10,14,10,15,10,16,10,0,10,2,10,4,10,6,10,8,10,10,10,12,10,14,10,16,10,18,10,20,10,22,10,24,移动,无线电,电信领域使用电磁波频谱,19/67,3.1 导向传输媒体（,传输介质,）,双绞线,屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair),无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair),同轴电缆,50,同轴电缆,75,同轴电缆,光缆,20/67,各种电缆,铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯,套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同轴电缆,21/67,光线在光纤中折射,折射角,入射角,包层,（低折射率媒体）,包层,（低折射率媒体）,纤芯,（高折射率媒体）,包层,纤芯,22/67,光纤工作原理,高折射率,(纤芯),低折射率,(包层),光线在纤芯中传输方式是不停地全反射,23/67,输入脉冲,输出脉冲,单模光纤,多模光纤与单模光纤,输入脉冲,输出脉冲,多模光纤,24/67,3.2 非导向传输媒体,无线传输所使用频段很广。,短波通信主要是靠电离层反射，但短波信道通信质量较差。,微波在空间主要是直线传输。,地面微波接力通信,卫星通信,25/67,4 模拟传输与数字传输,4.1 模拟传输系统,长途干线最初采取,频分复用,FDM 传输方式,FDM(Frequency Division Multiplexing),当前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间这一段几公里长用户线上。,26/67,4.2 调制解调器,数据经过模拟传输系统后会出现差错。,出现差错,0,1,0,0,1,0,1,0,0,还原后,数据,t,接收到,失真信号,0,1,0,0,1,1,1,0,0,t,发送,基带信号,t,采样时刻,27/67,调制解调器作用,调制解调器,(modem)包含：,调制器,(MOdulator)：把要发送数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间模拟信号，方便在电话用户线上传送。,解调器,(DEModulator)：把电话用户线上传送来模拟信号转换为数字信号。,调制解调器是指使用在标准二线模拟话路（3.1 kHz 标准话路带宽）上调制解调器。,28/67,调制解调器作用（续）,调制器主要作用就是个,波形变换器,，它把基带数字信号波形变换成适合于模拟信道传输波形,解调器作用就是个,波形识别器,，它将经过调制器变换过模拟信号恢复成原来数字信号。,若识别不正确，则产生误码。,在调制解调器中还要有差错检测和纠正设施。,29/67,几个最基本,调制,方法,调制就是进行,波形变换,（频谱变换）。,最基本二元制调制方法有以下几个：,调幅,(AM)：载波振幅随基带数字信号而改变。,调频,(FM)：载波频率随基带数字信号而改变。,调相,(PM)：载波初始相位随基带数字信号而改变。,30/67,对基带数字信号几个调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,31/67,一个正交调制 QAM,QAM(Quadrature Amplitude Modulation),r,(r,),可供选择相位有 12 种，,而对于每一个相位有 1 或,2 种振幅可供选择。,因为4 bit 编码共有16 种不一样,组合，所以这 16 个点中每个,点可对应于一个 4 bit 编码。,若每一个码元可表示比特数越多，则在接收端进行,解调时要正确识别每一个状态就越困难。,32/67,调制解调器速率,当前调制解调器信息传输速率已很靠近于香农信道容量极限了。,要提升信息传输速率，只能设法提升信噪比。,在电话用户线上，最大噪声来自模拟到数字,模数转换,所带来量化噪声。,33/67,产生量化噪声地方,（经过 A/D 改变地方）,A,2/4,A/D,A/D,D/A,D/A,数字信号,数字信号,交换机 1,交换机 2,V.34 33.6 kb/s,调制解调器,B,D/A,A/D,4/2,V.34 33.6 kb/s,调制解调器,产生量化噪声,产生量化噪声,使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s）,产生量化噪声,产生量化噪声,用户环路,模拟信号,用户环路,模拟信号,34/67,产生量化噪声地方（续）,（经过 A/D 改变地方）,使用 V.90 调制解调器（56 kb/s）,A,2/4,A/D,A/D,交换机,因特网服务提供者,V.90 56 kb/s,调制解调器,D/A,V.90 56 kb/s,调制解调器,数字信号,数字信号,至因特网,（,数字信号,）,用户环路,模拟信号,仅在此处,产生量化噪声,仅在此处,产生量化噪声,35/67,调制解调器使用异步通信方式,数据通信可分为同时通信和异步通信两大类：,同时通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续比特流。,异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同时。发送端发送完一个字节后，可经过任意长时间间隔再发送下一个字节。,异步通信通信开销较大，但接收端可使用廉价、含有普通精度时钟来进行数据通信。,36/67,4.3 数字传输系统,现在数字传输系统均采取,脉码调制,PCM(Pulse Code Modulation)体制。,采样周期,T,t,信号,t,采样,1001,0011,1100,0010,t,编码,t,解码,t,还原,37/67,时分复用,为了有效地利用传输线路，可将多个话路PCM 信号用,时分复用,TDM(Time Division Multiplexing)方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。,中国采取欧洲体制，以 E1 为一次群。,美国和日本等国采取北美体制，以 T1 为一次群。,38/67,E1 时分复用帧,2.048 Mb/s,传输线路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,时分复用帧,T,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,时分复用帧,时分复用帧,T=125 ms,15 个话路,15 个话路,39/67,5 信道复用技术,5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,频分复用：全部用户在一样时间占用不一样带宽资源。,时分复用：全部用户在不一样时间占用一样频带宽度。,40/67,频分复用,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,41/67,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A,A,A,A,在,TDM,帧中位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,42/67,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,B,B,B,B,C,D,在,TDM,帧中,位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,43/67,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,C,C,C,C,D,在,TDM,帧中,位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,44/67,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D,D,D,D,在 TDM 帧中,位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,45/67,时分复用可能会造成线路资源浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,46/67,统计时分复用,STDM,用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,47/67,1550 nm 0,1551 nm 1,1552 nm 2,1553 nm 3,1554 nm 4,1555 nm 5,1556 nm 6,1557 nm 7,0 1550 nm,1 1551 nm,2 1552 nm,3 1553 nm,4 1554 nm,5 1555 nm,6 1556 nm,7 1557 nm,5.2 波分复用 WDM,波分复用就是光频分复用。,8,2.5 Gb/s,1310 nm,20 Gb/s,复,用,器,分,用,器,EDFA,120 km,48/67,5.3 码分复用 CDM,惯用名词是码分多址 CDMA,(Code Division Multiple Access)。,各用户使用经过特殊挑选不一样码型，所以彼此不会造成干扰。,这种系统发送信号有很强抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉。,每一个比特时间划分为,m,个短间隔，称为,码片,(chip)。,49/67,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个惟一,m,bit 码片序列。,如发送比特 1，则发送自己,m,bit 码片序列。,如发送比特 0，则发送该码片序列二进制反码。,比如，S 站 8 bit 码片序列是 00011011。,发送比特 1 时，就发送序列 00011011，,发送比特 0 时，就发送序列 11100100。,S 站码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1),50/67,CDMA 主要特点,每个站分配码片序列不但必须各不相同，而且还必须相互,正交,(orthogonal)。,在实用系统中是使用,伪随机码序列,。,51/67,码片序列正交关系,令向量,S,表示站 S 码片向量，令,T,表示其它任何站码片向量。,两个不一样站码片序列正交，就是向量,S,和,T,规格化,内积,(inner product)都是 0：,(2-4),52/67,码片序列正交关系举例,令向量,S,为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量,T,为(1 1+1 1+1+1+1 1)。,把向量,S,和,T,各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交。,53/67,任何一个码片向量和该码片向量自己规格化内积都是1。,一个码片向量和该码片反码向量规格化内积值是 1。,正交关系另一个主要特征,54/67,CDMA 工作原理,S 站码片序列,S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m,个码片,t,S 站发送信号,S,x,T 站发送信号,T,x,总发送信号,S,x,+,T,x,规格化内积,S,S,x,规格化内积,S,T,x,数据码元比特,发,送,端,接,收,端,55/67,6 同时光纤网 SONET 和同时数字系列 SDH,旧数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要是以下两个方面：,速率标准不统一。,假如不对高次群数字传输速率进行标准化，国际范围高速数据传输就极难实现。,不是同时传输。,在过去相当长时间，为了节约经费，各国数字网主要是采取准同时方式。,56/67,同时光纤网 SONET,同时光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)各级时钟都来自一个非常准确主时钟。,第 1 级同时传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)传输速率是 51.84 Mb/s。,光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。,57/67,同时数字系列,SDH,ITU-T 以美国家标准准 SONET 为基础，制订出国际标准同时数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。,普通可认为 SDH 与 SONET 是同义词。,SDH 基本速率为 155.52 Mb/s，称为第,1,级同时传递模块(Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中 OC-3 速率。,58/67,线路速率,(Mb/s),SONET,符号,ITU-T,符号,表示线路速率,惯用近似值,51.840,OC-1/STS-1,155.520*,OC-3/STS-3,STM-1,155 Mb/s,466.560,OC-9/STS-9,STM-3,622.080*,OC-12/STS-12,STM-4,622 Mb/s,933.120,OC-18/STS-18,STM-6,1244.160,OC-24/STS-24,STM-8,1866.240,OC-36/STS-36,STM-12,2488.320*,OC-48/STS-48,STM-16,2.5 Gb/s,4876.640,OC-96/STS-96,STM-32,9953.280,OC-192/STS-192,STM-64,10 Gb/s,SONET OC 级/STS 级与 SDH STM 级对应关系,59/67,SONET 体系结构,光子层,路径层,线路层,段层,线路,光子层,路径层,线路层,段层,光子层,线路层,段层,光子层,段层,光子层,线路层,段层,光子层,段层,SDH,终端,SDH,终端,复用器,或,分用器,复用器,或,分用器,转发器,转发器,段,段,段,路径,60/67,SONET 标准定义了四个光接口层,光子层(Photonic Layer),处理跨越光缆比特传送。,段层(Section Layer),在光缆上传送 STS-N 帧。,线路层(Line Layer),负责路径层同时和复用。,路径层(Path Layer),处理路径端接设备 PTE(Path Terminating Element)之间业务传输。,61/67,7 物理层标准举例,7.1 EIA-232-E 接口标准,DTE(Data Terminal Equipment)是,数据终端设备,，是含有一定数据处理能力和发送、接收数据能力设备。,DCE(Data Circuit-terminating Equipment)是,数据电路端接设备,，它在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码功效，而且负责建立、保持和释放数据链路连接。,62/67,DTE 经过 DCE 与通信传输线路相连,DTE,DCE,DCE,串行比特传输,信号线与控制线,用户环境,通信环境,用户设施,通信设施,DTE,信号线与控制线,用户设施,用户环境,63/67,EIA-232/V.24 信号定义,(1)保护地,(2)发送数据,(3)接收数据,(4)请求发送,(5)允许发送,(6)DCE 就绪,(7)信号地,(8)载波检测,(20)DTE 就绪,(22)振铃指示,DTE,DCE,计算机,或,终端,调制解调器,64/67,两个 DTE 经过 DCE进行通信例子,EIA-232/V.24,接口,调制解调器,DTE-A,DTE-B,DCE-A,DCE-B,EIA-232/V.24,接口,调制解调器,网 络,65/67,利用虚调制解调器与两台计算机相连,插头,插头,插座,插座,计算机,虚调制解调器,计算机,（1）保护地,（2）发送,（3）接收,（4）请求发送,（5）允许发送,（6）DCE 就绪,（7）信号地,（8）载波检测,（20）DTE 就绪,（22）振铃指示,（1）保护地,（2）发送,（3）接收,（4）请求发送,（5）允许发送,（6）DCE 就绪,（7）信号地,（8）载波检测,（20）DTE 就绪,（22）振铃指示,66/67,7.2 RS-449 接口标准,RS-449 由 3 个标准组成。即：,RS-449,RS-423-A,RS-422-A,67/67,