計算機網絡-物理層-韓立剛老師課件

第2章物理層物理層涉及到的內容網站計算機ARouterARouterDRouterERouterCRouterB網頁1234緩存123緩存網頁123CSMA/CD協議物理層數據鏈路層網絡層傳輸層應用層層示表會話層物理層涉及到的知識點數字信號雙絞線同軸電纜光纖時分多路波分復用編碼方式模擬信號頻分多路復用碼分復用技術全雙工半雙工單工通信本章內容2.1物理層的基本概念2.2數據通信基礎2.3信道和調制2.4傳輸技術2.5信道復用技術2.6寬帶接入技術2.1物理層的基本概念物理層定義了與傳輸媒體的接口有關的一些特性。機械特性電氣特性功能特性過程特性2.2數據通信基礎數據通信模型數據通信一些常用術語模擬信號和數字信號模擬信號轉換成數字信號2.2.1數據通信模型數字比特流數字比特流計算機A計算機B集線器或交換機數字比特流計算機A調制解調器模擬信號網線電話線數字比特流網線調制解調器計算機B網線網線頻分復用數字比特流計算機A光電轉換器光信號網線光纖線數字比特流網線計算機B波分復用光電轉換器局域網通信模型廣域網通信模型廣域網通信模型2.2.2數據通信一些常用術語信息（message）：通信的目的是傳送信息，如文字、圖像、視頻和音頻等都是消息。數據（date）：信息在傳輸之前需要進行編碼，編碼后的信息就變成數據。信號（signal）：數據在通信線路上傳遞需要變成電信號或光信號。2.2.3模擬信號和數字信號模擬信號或連續信號數字信號或離散信號數字信號和模擬信號優缺點模擬信號在傳輸過程中如果出現信號干擾發生波形發生變形，很難糾正數字信號波形失真可以修復2.3.4模擬信號轉換成數字信號2.3.4模擬信號轉換成數字信號采樣頻率和采樣精度決定音樂的品質2.3信道和調制信道單工和半雙工以及全雙工通信調制信道極限容量2.3.1信道信道（Channel）是信息傳輸的通道，即信息進行傳輸時所經過的一條通路，信道的一端是發送端，另一端是接收端。一條傳輸介質上可以有多條信道（多路復用）。2.3.2單工和半雙工以及全雙工通信單向通信又稱為單工通信，即信號只能向一個方向傳輸，任何時候都不能改變信號的傳送方向。無線電廣播或有線電視廣播就是單工通信，信號只能是廣播電臺發送，收音機接收。雙向交替通信又稱半雙工通信，信號可以雙向傳送，但是必須是交替進行，一個時間只能向一個方向傳。有些對講機就是用半雙工通信，A端說話B端接聽，B端說話A端接聽，不能同時說和聽。雙向同時通信

又稱全雙工通信，即信號可以同時雙向傳送。比如我們手機打電話，聽和說可以同時進行。2.3.3調制來自信源的信號通常稱為基帶信號（即基本頻帶信號）。調制可以分為兩大類。一類僅僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應。變化后的信號仍然是基帶信號，這類調制稱為基帶調制。由于這種基帶調制十八數字信號轉換成另一種形式的數字信號，因此大家更愿意把這種過程稱為編碼（coding）另一類則需要使用載波（carrier）進行調制，把基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸，經過載波調制后的信號稱為帶通信號（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道），而使用載波的調制稱為帶通調制。2.3.3調制010011100基帶信號基帶調制（編碼）帶通調制調制調幅調頻調相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號數字信號2.3.3調制常用編碼方式010011100基帶信號基帶調制（編碼）帶通調制調制調幅調頻調相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號數字信號2.3.3調制常用帶通調制方法010011100基帶信號基帶調制（編碼）帶通調制調制調幅調頻調相不歸零制歸零制曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼模擬信號數字信號2.3.4信道極限容量有失真但可識別失真太大無法識別2.3.4信道極限容量信道帶寬信道帶寬=能夠通過的最高頻率-最低頻率2.3.4信道極限容量模擬信號諧波成數字信號2.3.4信道極限容量數字信號高頻帶寬不能通過奈氏準則（數字信號）在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以使用更高速率傳遞碼元而不出現碼間串擾。理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為HZ。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位。使用奈氏準則給出的公式，可以根據信道的帶寬，計算出碼元的最高傳輸速率。在碼元傳輸速率一定的情況下提高數據傳輸速率2.3.4信道極限容量香農公式（適用于模擬信號和數字信號）有噪聲的信道的極限信息傳輸速率C：C=Wlog2（1+S/N）

（b/s）式中，W為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率信噪比所謂信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位。即：信噪比（dB）=10log10（S/N）（dB）例如，當S/N=10時，信噪比為10dB，而當S/N=1000時，信噪比為30dB。2.4傳輸媒體導向傳輸媒體非引導型傳輸媒體2.4傳輸媒體導向傳輸媒體

雙絞線

2.4傳輸媒體導向傳輸媒體同軸電纜光纜

絕緣保護層外導體屏蔽層絕緣層內導體2.4傳輸媒體光纖光線在光纖中折射光波在纖芯中的傳播2.4傳輸媒體單一模光纖的光源要使用昂貴的半導體激光器，而不能使用較便宜的發光二極管。但單模光纖的衰耗較小，在2.5Gb/s的高速率下可傳輸數十公里而不必采用中繼器。2.4傳輸媒體光纖不僅具有通信容量非常大的優點，而且還具有其他的一些特點：傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環境下尤為重要。無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數據。體積小，重量輕。2.4.2非引導型傳輸媒體無線電頻段2.4.2非引導型傳輸媒體短波通信短波通信即高頻通信，主要是靠電離層的反射。微波通信微波在空間主要是直線傳播2.4.2非引導型傳輸媒體無線局域網要使用某一段無線電頻譜進行通信，通常必須得到本國政府有關無線電頻譜管理機構的許可證。但是，也有一些無線電頻段是可以自由使用的（只要不干擾他人在這個頻段中的通信），這正好滿足計算無線局域網的需求。2.5信道復用技術2.5.1頻分復用2.5.2時分復用2.5.3波分復用2.5.4碼分復用2.5.1頻分復用頻分復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）適合于模擬信號。2.5.1頻分復用010011100調制010011100解調010011100010011100調制解調0011100100011100100011100100011100102.5.2時分復用數字信號的傳輸更多使用時分復用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）技術。時分復用采用同一物理連接的不同時段來傳輸不同的信號，時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。2.5.2時分復用時分復用2.5.3波分復用光纖技術的應用使得數據的傳輸速率空前提高。目前一根單模光纖的傳輸速率可達到2.5Gb/s。再提高傳輸速率就比較困難了。為了提高光纖的傳輸信號的速率，也可以進行頻分復用，由于光載波的頻率很高，因此習慣上用波長而不用頻率來表示所使用的光載波。這樣就得出了波分復用這一名詞。2.5.4碼分復用碼分復用CDM（CodeDivisionMultiplexing）又稱碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。是擴頻通信技術（數字技術的分支）上發展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術。2.5.4碼分復用

2.5.4碼分復用2.5.4碼分復用假如基站發送了碼片序列（00-2+20-20+2）。A手機的碼片序列為（-1-1-1+1+1-1+1+1）B手機碼片序列為（-1-1+1-1+1+1+1-1）C手機碼片序列為（-1+1-1+1+1+1-1-1）問這三個手機，分別收到了什么信號？2.6寬帶接入技術銅線接入技術（電話線接入Internet）光纖同軸混合網（HFC網）（有線電視同軸電纜）光纖接入技術（專門為小區居民鋪設光纜）移動互聯網接入技術（手機）2.6.1銅線接入技術銅線寬帶接入技術也就是xDSL（各種類型DSL（DigitalSubscriberLine）數字用戶線路的總稱）技術，就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。ADSL屬于DSL技術的一種，全稱AsymmetricDigitalSubscriberLine（非對稱數字用戶線路），亦可稱作非對稱數字用戶環路。是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使其能夠承載帶寬數字業務。ADSL考慮了用戶訪問Internet的主要是獲取網絡資源，更多的下載流量，較少的上行流量，因此ADSL上行和下行帶寬設計成為不對稱。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。2.6.1銅線接入技術ADSL信道2.6.1銅線接入技術基于ADSL的接入網的組成2.6.2光纖同軸混合網（HFC網）光纖同軸混合網（HFC網）在1988年被提出，HFC是HybridFiberCoax的縮寫。HFC網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網CATV的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。HFC網除可傳送CATV外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。同軸電纜光纖光纖結點頭端高帶寬光纖同軸電纜光纖500-2000戶25km2-3km2.6.3光纖接入技術從技術上講，光纖到戶FTTH（FiberToTheHome）應當是最好的選擇。所謂光纖到戶，就是把光纖一直鋪設到用戶家庭，在用戶的家中才把光信號轉換成電信號，這樣用戶可以得到更高的上網速率。根據光纖到用戶的距離來分類，可分成光纖到小區（FiberToTheZone即FTTZ）、光纖到路邊（FiberToTheCurb即FTTC）、光纖到大樓（FiberToTheBuilding即FTTB