计算机网络-物理层名师优质课赛课一等奖市公开课获奖课件.pptx

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,*,计算机网络（第,5,版）,第,2,章 物理层,第1页,第,2,章,物理层,2.1,物理层基本概念,2.2,数据通信基础知识,2.2.1,数据通信系统模型,2.2.2,相关信道几个基本概念,2.2.3,信道极限容量,2.2.4,信道极限信息传输速率,2.3,物理层下面传输媒体,2.3.1,导向传输媒体,2.3.2,非导向传输媒体,第2页,第,2,章,物理层（续）,2.4,信道复用技术,2.4.1,频分复用、时分复用和统计时分复用,2.4.2,波分复用,2.4.3,码分复用,2.5,数字传输系统,2.6,宽带接入技术,2.6.1 xDSL,技术,2.6.2,光纤同轴混合网（,HFC,网）,2.6.3 FTTx,技术,第3页,2.1,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。,过程特征,指明对于不一样功效各种可能事件出现次序。,第4页,2.2,数据通信基础知识,2.2.1,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,输入,汉字,显示,汉字,数据通信系统,源系统,目系统,传输系统,输出信息,PC,机,第5页,几个术语,数据,(data),运输消息实体。,信号,(signal),数据电气或电磁表现。,“模拟”,(analogous),代表消息参数取值是连续。,“数字”,(digital),代表消息参数取值是离散。,第6页,2.2.2,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。,第7页,传输模式,并行传输：由,1,和,0,组成二进制数据，能够组织为,n,位分组，能够同时传输一组比特，每个比特使用单独一条线路，这些线路通常困扎在一条电缆里。经常使用在两个短距离设备之间（,PC,和打印机、,CPU,和存放模块,）,串行传输：只使用一条线路，逐一逐一传送全部比特，比较廉价，用于长距离也较可靠，速度较慢。,通信基本概念与术语,0,1,0,1,0,1,1,0,并行传输,01010110,串行传输,第8页,并行传输在长距离上没有优势,长距离使用多条线路要比一条线路昂贵,长距离传输要求较粗导线（降低信号衰减），将它们捆绑在一条电缆里难度过高。,短距离传输各线路比特几乎同时抵达，距离过长时，各线路抵达时间不一致，接收困难。,串行与并行相比优势是串行只有一个通信信道，开销为并行,1/n,，速度过慢。,“众人拾柴火焰高”？,通信基本概念与术语,第9页,异步传输：比特被划分为小组独立传送，发送方能够在任何时刻发送这些比特组（比如：敲击键盘，每敲击一个字符等于传输,8,比特,ASCII,，停顿一下，再敲击一个字符,）。,存在一个潜在问题：接收方并不知道数据会在什么时候抵达，当它检测到数据并作出响应，第一个比特可能已经发送完成（比如：当身边一个人突然讲话，你可能听不见前面几个字,）,所以，每次异步传输都以一个开始位开头，通知接收方开始接收，一样以一个结束位结束，表示停顿接收,通信基本概念与术语,第10页,发送方输入数字,321,，按照扩展,ASCII,表示，传输信号应该是什么？,00110001-,对应数字,1,00110010-,对应数字,2,00110011-,对应数字,3,通信基本概念与术语,1,11001100,0,1,01001100,0,1,10001100,0,开始位,结束位,对应,3,开始位,结束位,对应,1,开始位,结束位,对应,2,第11页,同时传输：它不是独立发送每个字符（每个字符都有自己开始位和结束位），而是将它们组合起来一起发送（组合多少字符也要看设备缓存大小），我们称这些组合为数据帧。,同时传输比异步传输要快很多，接收方无须对每个字符进行开始和停顿操作，相对开销降低很多。,通信基本概念与术语,并行设备,串行设备,IEEE1284,USB,PATA,（,IDE,）,Serial ATA,PCI,PCI-E,常见并行,串行接口,第12页,几个最基本调制方法,基带信号往往包含有较多低频成份，甚至有直流成份，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了处理这一问题，就必须对基带信号进行,调制,(modulation),。,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。,第13页,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,第14页,数字调制技术,在数字调制中，能够利用数字信号离散取值特点，由数字电路开关，象拨键一样来控制振幅、频率或相位改变。因而在数据通信中调幅、调频和调相常对应地称为,幅移键控,ASK,(Amplitude Shift Keying),、,频移键控,FSK,(Frequency Shift Keying),和,相移键控,PSK,(Phase Shift Keying),。下列图给出了用数字电路开关来实现,FSK,调制原理图。,S(t)=Asin(2ft+),第15页,数字调制技术,0,1,0,1,幅移键控（,ASK,）,比特率,=,波特率,X,比特数,其中：比特数,=log,2,N,（,N,表示状态数）,一个波形对应一个状态,0,或者,1,第16页,数字调制技术,0,1,0,1,比特率,=,波特率,X,比特数,其中：比特数,=log,2,N,（,N,表示状态数）,频移键控（,FSK,）,一个波形对应一个状态,0,或者,1,第17页,数字调制技术,0,1,0,1,比特率,=,波特率,X,比特数,其中：比特数,=log,2,N,（,N,表示状态数）,相移键控（,PSK,）,一个波形对应一个状态,0,或者,1,第18页,数字调制技术,星座图,4-PSK,比特,相位,00,0,o,01,90,o,10,180,o,11,270,o,00,01,10,11,第19页,数字调制技术,比特,相位,000,0,o,001,45,o,010,90,o,011,135,o,100,180,o,101,225,o,110,270,o,111,315,o,星座图,8-PSK,第20页,信道能够经过频率范围,1924,年，奈奎斯特,(Nyquist),就推导出了著名,奈氏准则,。他给出了在假定理想条件下，为了防止码间串扰，码元传输速率上限值。,在任何信道中，码元传输速率是有上限，不然就会出现,码间串扰,问题，使接收端对码元判决（即识别）成为不可能。,假如信道频带越宽，也就是能够经过信号高频分量越多，那么就能够用更高速率传送码元而不出现码间串扰。,第21页,(2),信噪比,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,log,2,(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。,第22页,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。,第23页,2.3.1,导向传输媒体,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,第24页,T568A,白绿、绿、白橙、蓝、白蓝、橙、白棕、棕,T568B,白橙、橙、白绿、蓝、白蓝、绿、白棕、棕,双绞线,(twisted pair),第25页,水晶头,第26页,568A/568B,第27页,压线钳,第28页,第29页,第30页,第31页,第32页,第33页,第34页,第35页,第36页,第37页,第38页,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,第39页,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,第40页,当入射角不停增大时，就出现一个新现象，这时就没有光再折射出去了。,从光源开始进入光纤，光线全部在光纤内部进行反射。,光导纤维电缆（,optical fiber,）,第41页,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,第42页,光导纤维电缆（,optical fiber,）,第43页,2.3.2,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,第44页,课件制作人：谢希仁,共享信道,2.4,信道复用技术,2.4.1,频分复用、时分复用和统计时分复用,复用,(multiplexing),是通信技术中基本概念。,信道,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,信道,信道,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,复用,分用,(a),不使用复用技术,(b),使用复用技术,第45页,多路复用技术,多路复用,：技术就是把许多信号在单一传输线路和用单一传输设备来进行传输技术。,多路复用技术又分为以下三众形式：,频分多路复用,FDM,（,Frequency Division Multiplexing,）,经过为多个信道分配互不重合频率范围方式实现多路复用，更适合于模拟数字信号传输。,时分多路复用,TDM,（,Time Division Multiplexing,）,经过为多个信道分配互不重合时间片方式实现多路复用，更适合于数字数据信号传输。,波分多路复用,WDM,（,Wavelength Division Multiplexing,）,光纤通道技术采取了波长分割多路复使用方法，实际上它也是频分多路复用一个。在光学系统中利用光栅实现多路不一样频率光波信号合成和分离。,第46页,频分多路复用（,FDM-Frequency Division Multiplexing,）,应用,:,无线电广播,电视,特点,:,信号被划分成若干通道,(,频道,波段,),每个通道独立进行数据传递,多路复用技术,第47页,多路复用技术,假定一个语音通道占用带宽是,4Khz,，要将三个语音通道合并成一条宽带为,12Khz,（,20Khz32Khz,）链路，试分析多路复用过程及分离过程。,没有考虑,防护频带,0 4K,0 4K,0 4K,20K 24K,24K,28K,28K 32K,+,平移合并,第48页,时分多路复用（,TDM-Time Division Multiplexing,）,特点：多条低速线路轮番使用同一条高速线路进行数据传递,应用：电话主干线路,多路复用技术,第49页,2.6,宽带接入技术,2.6.1 xDSL,技术,xDSL,技术就是用数字技术对现有模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。,即使标准模拟电话信号频带被限制在,3003400 Hz,范围内，但用户线本身实际可经过信号频率依然超出,1 MHz,。,xDSL,技术就把,04 kHz,低端频谱留给传统电话使用，而,把原来没有被利用高端频谱留给用户上网使用,。,DSL,就是,数字用户线,(Digital Subscriber Line),缩写。而,DSL,前缀,x,则表示在数字用户线上实现不一样宽带方案。,第50页,xDSL,几个类型,ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line),：非对称数字用户线,HDSL(High speed DSL),：高速数字用户线,SDSL(Single-line DSL),：,1,对线数字用户线,VDSL(Very high speed DSL),：甚高速数字用户线,DSL,：,ISDN,用户线。,RADSL(Rate-Adaptive DSL),：速率自适应,DSL,，是,ADSL,一个子集，可自动调整线路速率）。,第51页,ADSL,特点,上行和下行带宽做成不对称。,上行指从用户到,ISP,，而下行指从,ISP,到用户。,ADSL,在用户线（铜线）两端各安装一个,ADSL,调制解调器。,我国当前采取方案是,离散多音调,DMT,(Discrete Multi-Tone),调制技术。这里“多音调”就是“,多载波,”或“,多子信道,”意思。,第52页,DMT,技术,DMT,调制技术采取频分复用方法，把,40 kHz,以上一直到,1.1 MHz,高端频谱划分为许多子信道，其中,25,个子信道用于上行信道，而,249,个子信道用于下行信道。,每个子信道占据,4 kHz,带宽（严格讲是,4.3125 kHz,），并使用不一样载波（即不一样音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小调制解调器,并行地,传送数据。,第53页,DMT,技术频谱分布,频谱,频率,上行信道,传统电话,0,4,下行信道,(kHz),40,138,1100,第54页,ADSL,数据率,因为用户线详细条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线干扰程度等都不一样），所以,ADSL,采取自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高数据率。,当,ADSL,开启时，用户线两端,ADSL,调制解调器就测试可用频率、各子信道受到干扰情况，以及在每一个频率上测试信号传输质量。,ADSL,不能确保固定数据率。对于质量很差用户线甚至无法开通,ADSL,。,通常下行数据率在,32 kb/s,到,6.4 Mb/s,之间，而上行数据率在,32 kb/s,到,640 kb/s,之间。,第55页,ADSL,组成,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-C,用户线,电话,分离器,区域宽带网,至,ISP,居民家庭,基于,ADSL,接入网,端局或远端站,DSLAM,至当地电话局,PS,PS,数字用户线接入复用器,DSLAM(DSL Access Multiplexer),接入端接单元,ATU(Access Termination Unit),ATU-C,（,C,代表端局,Central Office,）,ATU-R,（,R,代表远端,Remote,）,电话分离器,PS(POTS Splitter),第56页,