1、授課老師：葛蘇慧 辦公地點：網(wǎng)絡(luò)與信息安全教研室1413 電子郵件: ,第 2 章 物理層,2.1 物理層的基本概念 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識 2.3 物理層下面的傳輸媒體 2.4 信道復(fù)用技術(shù) 2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng) 2.6 寬帶接入技術(shù),2.1 物理層的基本概念 注！ 傳輸媒體本身并不屬于物理層的范圍 物理層的主要任務(wù)：確定與傳輸媒體接口有關(guān)的一些特性，即： 機(jī)械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定、鎖定裝置等； 電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍； 功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義； 過程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出

2、現(xiàn)順序； 轉(zhuǎn)換傳輸方式：計算機(jī)中并行和通信線路上串行傳輸方式的轉(zhuǎn)換。,2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識,2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,調(diào)制解調(diào)器,PC 機(jī),公用電話網(wǎng),調(diào)制解調(diào)器,數(shù)字比特流,數(shù)字比特流,模擬信號,模擬信號,輸入 漢字,顯示 漢字,PC 機(jī),鍵 盤,屏 幕,調(diào)制器,解調(diào)器,演示！,常用術(shù)語,消息(message)話音、文字、圖像等都是消息； 數(shù)據(jù)(data)運送消息的實體； 信號(signal)數(shù)據(jù)的物理表現(xiàn)，如電氣或電磁。 模擬信號(analogous)消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的，如時間、溫度、聲音。 數(shù)字信號(digital)消息的參數(shù)的取值是離散的，二進(jìn)制數(shù)、電脈沖。 碼元(c

3、ode)使用時間域（時域）的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形就稱為碼元，在使用二進(jìn)制編碼時，只有兩種不同的碼元：0、1。,2.2.2 有關(guān)信道的幾個基本概念,信道:向某一個方向傳送信息的媒體。 一條通信電路通常包含條信道？ 單向通信（單工通信）只有一個方向的通信，而沒有反方向的交互。如：電視廣播。 雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能同時發(fā)送(當(dāng)然也不能同時接收)。 雙向同時通信（全雙工通信）通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。,基帶(baseband)信號和帶通(bandpass)信號,基帶信號（基本頻帶信號）：來自信源的信號 基帶信號往往包含較多的低頻成分

4、，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量，因此必須對基帶信號進(jìn)行調(diào)制(modulation)。 基帶調(diào)制:僅僅對基帶信號的波形進(jìn)行變換，調(diào)制后的信號仍是基帶信號。 帶通調(diào)制：使用載波進(jìn)行調(diào)制，把基帶信號的頻率范圍搬到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。 帶通信號：基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后的信號,帶通調(diào)制的方法： 調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基帶信號,調(diào)幅,調(diào)頻,調(diào)相,2.2.3 信道的極限容量,任何實

5、際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸瑐鬏斁嚯x越遠(yuǎn)，噪聲干擾越大，傳輸媒體質(zhì)量越差，在信道輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。,（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,發(fā)送信號波形,接收信號波形,1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題。 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，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。,（1）信道能夠通過的頻率范圍,(2) 信噪比 信噪比:信號的平均功率和噪聲的平均功率之比 信噪比（dB）=10log10（S/N

6、 ）（dB） S : 信道內(nèi)所傳信號的平均功率 N : 信道內(nèi)部的高斯噪聲功率 dB: 分貝 香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限傳輸速率C ： C = W log2(1+S/N ) b/s W :信道的帶寬（以 Hz 為單位） 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。,2.3 物理層下面的傳輸媒體,傳輸媒體（傳輸介質(zhì)）：數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。 2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體 雙絞線 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair) 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted

7、 Pair) 同軸電纜 50 同軸電纜 75 同軸電纜 光纜 單模 多模,無屏蔽雙絞線 UTP,直連網(wǎng)線：不同設(shè)備 交叉網(wǎng)線：相同設(shè)備 主機(jī)路由器,Side 1,Side 2,Side 1,12345678,12345678,1=白/橙 2=橙 3=白/綠 4=藍(lán) 5=白/藍(lán) 6=綠 7=白/棕 8=棕,Side 2,Side 1,Side 2,Side 1,Side 2,12345678,12345678,1=白/橙 2=橙 3=白/綠 4=藍(lán) 5=白/藍(lán) 6=綠 7=白/棕 8=棕,1=白/橙 2=橙 3=白/綠 4=藍(lán) 5=白/藍(lán) 6=綠 7=白/棕 8=棕,1=白/綠 2=綠 3=白/

8、橙 4=藍(lán) 5=白/藍(lán) 6=橙 7=白/棕 8=棕,10base5 粗同軸電纜,10base2 細(xì)同軸電纜,FC/PC型光纖接頭,SC/PC型光纖接頭,光纖的工作原理,高折射率 (纖芯),低折射率 (包層),光在纖芯中不斷地全反射,發(fā)光源： 多模：發(fā)光二極管 單模：半導(dǎo)體激光器,多模與單模光纖,多模光纖,2.3.2 非導(dǎo)向傳輸媒體 無線傳輸：所使用的頻段很廣； 短波通信：主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質(zhì)量較差； 微波：在空間主要是直線傳播 。 地面微波接力通信 衛(wèi)星通信,回 顧,1.物理層的主要任務(wù)：確定與有關(guān)的一些特性。 2.在導(dǎo)向傳輸媒體中，電磁波沿著媒體傳播；在非導(dǎo)向傳輸媒體中，

9、電磁波沿著傳播，這種傳輸常稱為。 3.碼元的傳輸速率越，信號傳輸?shù)木嚯x越，噪聲干擾越，傳輸媒體的質(zhì)量越，在接收端的波形失真就越。 4.信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。 5.單模：光以單一路徑通過這種光纖 多模：光以多重路徑通過這種光纖,2.4 信道復(fù)用技術(shù),信道：向某一個方向傳送信息的媒體。 2.4.1 頻分復(fù)用、時分復(fù)用、統(tǒng)計時分復(fù)用 復(fù)用(multiplexing) ：兩個或多個用戶共享公用信道的一種機(jī)制。,共享信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,復(fù)用,分用,(a) 不使用復(fù)用技術(shù),(b) 使用復(fù)用技術(shù)

10、,1. 頻分復(fù)用 FDM (Frequency Division Multiplexing),用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶，即所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。,2. 時分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing),時分復(fù)用：將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀（TDM 幀），每一個用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。 每一個用戶所占用的時隙周期性地出現(xiàn) 時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。,頻率,時間,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,B在 TDM

11、幀中 的位置不變,使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機(jī)數(shù)據(jù)時，由于計算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，所以用戶對分配到的子信道的利用率一般很低。例如，上網(wǎng)時當(dāng)你用鍵盤輸入文字的時候，此時信道的利用率就很低。,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 個時分復(fù)用幀,#1,a,c,b,c,d,#2,#3,#4,用戶,3. 統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM (Statistic TDM),在統(tǒng)計時分復(fù)用中，每一個STDM幀中的時隙數(shù)小于連接在集中器上的用戶數(shù)。 STDM幀不是固定分配時隙的，而是按需動態(tài)的分配時隙。,用戶,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 個 STDM 幀,#1

12、,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,集中器,幀,強(qiáng)調(diào)： TDM幀和STDM幀都是在物理層傳送的比特流中劃分的幀。這種幀和我們以后要討論的數(shù)據(jù)鏈路層的“幀”，是完全不同的概念。,2.4.2 波分復(fù)用 WDM (Wavelength Division Multiplexing),波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用； 波分復(fù)用：最初，在一路光纖上同時傳輸兩個頻率很接近的光載波信號； 密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division Multiplexing ）：在一根光纖上復(fù)用80路或更多路的光載波信號； 由于光載波的頻率很高，因此習(xí)慣上用波長而不是頻率來表示所使用的光載波信

13、號。,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,V1=2.5 Gb/s （1310 nm）,V總=20 Gb/s,復(fù) 用 器,分 用 器,EDFA：摻鉺 光纖放大器,120 km,光調(diào)制器,光解調(diào)器,600 km,密集波分復(fù)用技術(shù)的應(yīng)用 例 ： 由100根速率為2.5Gb/s光纖構(gòu)成的光纜，采用16倍的密集波分復(fù)用技術(shù)，

14、得到一根光纜的總數(shù)據(jù)率是？ 解：1002.516= 4T b/s T:1012 （太）,2.4.3 CDMA 工作原理,1. 撥號：當(dāng)您撥了一個電話號碼，這個號碼將與您的電話ID號一起以無線電廣播的形式發(fā)射出去。 2. 分組傳遞：電話對您的語音進(jìn)行數(shù)字化，并把它劃分為數(shù)據(jù)位包，然后使用擴(kuò)頻（利用與信息無關(guān)的偽隨機(jī)碼，以調(diào)制方法將已調(diào)制信號的頻譜寬度擴(kuò)展得比原調(diào)制信號的帶寬寬得多的過程。例如：跳頻、混合擴(kuò)頻、直接序列擴(kuò)頻。）技術(shù)，廣播這些數(shù)據(jù)包。 3. 接收與連接：距離最近的CDMA無線捕捉到您電話的無線電廣播，并將它傳遞到中央交換計算機(jī)，這個計算機(jī)識別您的電話ID。這樣，蜂窩服務(wù)電話提供商可以

15、跟蹤您的通話并根據(jù)空中占用時間進(jìn)行計費。 4. 識別：語音信號以數(shù)據(jù)包的形式到達(dá)您的話機(jī)。您的電話機(jī)首先通過一個通話傳來，然后識別標(biāo)識著您的對話的特殊代碼并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)包還原成語音信號。,2.4.3 碼分復(fù)用 CDM (Code Division Multiplexing),碼分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。 每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。 各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。 每一個比特時間被劃分為m 個短的間隔，稱為碼片(chip). 每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。 如發(fā)送比特 1，則發(fā)

16、送自己的 m bit 碼片序列； 如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。 例如: S 站的 8 bit 碼片序列是: 00011011， 發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011； 發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。,CDMA 的重要特點,每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。 在實用的系統(tǒng)中使用的是偽隨機(jī)碼序列。 假設(shè)，向量 S 表示站 S 的碼片向量， T 表示其他任何站的碼片向量： 兩個不同站的碼片序列正交，那么向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0，即：,假設(shè)，向量 S 為(1 1 1

17、+1 +1 1 +1 +1)， 向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入公式，即： (-1) (-1)+ (-1) (-1)+ (-1)(+1)+(+1)(-1)+(+1) (-1) 8,= 0,CDMA 的工作原理,S 站的碼片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,8 個碼片,t,S 站發(fā)送的信號 Sx,T 站發(fā)送的信號 Tx,總的發(fā)送信號 Sx + Tx,規(guī)格化內(nèi)積 S Sx,規(guī)格化內(nèi)積 S Tx,數(shù)據(jù)碼元比特,發(fā) 送 端,接 收 端,碼片序列S： （-1-1-1+1+1-1+1+1） 碼片序列T： （-1-1+1-1+1+1+1

18、-1）,T 站的碼片序列 T,t,2-16 已知： 四個站的碼片序列 A: (-1-1-1+1+1-1+1+1) B: (-1-1+1-1+1+1+1-1) C: (-1+1-1+1+1+1-1-1) D: (-1+1-1 -1 -1-1+1-1) 收到 S: (-1+1-3+1-1-3+1+1) 求： 哪個站發(fā)送數(shù)據(jù)了？發(fā)送的是0；1？ AS =（11311311）8=1 A發(fā)送1 BS =（11311311）8= -1 B發(fā)送0 CS =（11311311）8=0 C無發(fā)送 DS =（11311311）8=1 D發(fā)送1 P52,回 顧,信道復(fù)用技術(shù)： 1. 頻分復(fù)用： 相同的時間，不同的頻

19、帶 2. 波分復(fù)用： 相同的時間，接近的頻率 3. 時分復(fù)用： 不同的時間，同樣的頻帶 4. 統(tǒng)計時分復(fù)用：不同的時間，同樣的頻帶 5. 碼分復(fù)用： 同樣的時間，同樣的頻帶,2.6 寬帶接入技術(shù),2.6.1 xDSL技術(shù) DSL:數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)。 xDSL技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。 xDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜用來上網(wǎng)。,ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數(shù)字用戶線 RADSL (Rate-A

20、daptive DSL)：速率自適應(yīng)DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率）。 HDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線 VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線 SDSL (Single-line DSL)：1 對線的數(shù)字用戶線,ADSL 的特點,上行和下行帶寬不對稱; 上行指從用戶到ISP，而下行是從ISP 到用戶; ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL 調(diào)制解調(diào)器; 采用頻分復(fù)用的方法，把40K1.1MHz的高端頻譜劃分為許多子信道，其中 25 個子信道用于上行信道，而 249 個子信道用于下行信道。,頻譜分布,

21、頻譜,頻率,上行信道,傳統(tǒng)電話,0,4,下行信道,(kHz),40,138,1100,上行數(shù)據(jù)速率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間，而下行數(shù)據(jù)速率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-C,用戶線,電話 分離器,區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng),至 ISP,居民家庭,基于 ADSL 的接入網(wǎng),端局,DSLAM,至本地電話局,PS,PS,ADSL 的組成,DSLAM (DSL Access Multiplexer)：數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 ATU (Access Termination Unit)：接入端接單元 ATU-C（C- 端局 Central

22、Office） ATU-R（R- 遠(yuǎn)端 Remote） PS (POTS Splitter)：電話分離器,2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng) HFC (Hybrid Fiber Coax) HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖 HFC 網(wǎng)是在有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。 HFC 網(wǎng)除可傳送 CATV 外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。 現(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸； HFC（Hybrid Fiber Coax）:光纜與同軸電纜混合網(wǎng),采用光纖作傳輸干線，同軸電纜作分配傳輸網(wǎng)，即在有線電視前端將CATV模擬電信

23、號轉(zhuǎn)換成光信號后，用光纖傳輸?shù)椒?wù)小區(qū)的光接收機(jī)，再由光接收機(jī)將其轉(zhuǎn)換成電信號后，用同軸電纜傳到用戶家中。,（2）HFC 網(wǎng)采用結(jié)點體系結(jié)構(gòu),同軸電纜,頭端,模擬光纖,放大器,引入線,分路器,光纖結(jié)點,服務(wù)區(qū),服務(wù)區(qū),服務(wù)區(qū),從頭端到光纖結(jié)點(fiber node)采用模擬光纖連接，形成星型網(wǎng)； 光纖結(jié)點以下是同軸電纜組成的樹型網(wǎng)； 在光纖結(jié)點（ ）信號被轉(zhuǎn)換為（ ）信號； 一個光纖結(jié)點下的所有用戶組成了一個用戶群（cluster）。,（3）HFC 網(wǎng)具有比 CATV 網(wǎng)更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能,540MHz頻段:上行信號（用戶到頭端）占用； 50550MHz頻段:傳輸傳統(tǒng)的模擬電視節(jié)目

24、、立體聲廣播； 650750MHz頻段:傳送數(shù)字電視節(jié)目、VOD； 750MHz以后的頻段:保留,（4） 每個家庭要安裝一個用戶接口盒,用戶接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三種連結(jié): 使用同軸電纜連接到機(jī)頂盒(set-top box)，然后再連接到電視機(jī)； 使用雙絞線連接到用戶的電話機(jī)； 使用電纜調(diào)制解調(diào)器連接到用戶的計算機(jī)。,機(jī)頂盒（STB，Set Top Box）是一種擴(kuò)展電視機(jī)功能的新型家用電器，由于常放于電視機(jī)頂上，所以稱為機(jī)頂盒。目前的機(jī)頂盒多為網(wǎng)絡(luò)機(jī)頂盒，其內(nèi)部包含操作系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽軟件，通過電話網(wǎng)或有線電視網(wǎng)連接互聯(lián)網(wǎng)，使用電視機(jī)作為顯示器，從而實

25、現(xiàn)沒有電腦的上網(wǎng)。,2.6.3 FTTx ( Fiber-to-the-x)技術(shù),FTTx（光纖到）也是一種實現(xiàn)寬帶居民接入網(wǎng)的方案。這里字母 x 可代表不同意思。 光纖到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設(shè)到用戶家庭可能是居民接入網(wǎng)最后的解決方法。 光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)：光纖進(jìn)入大樓后就轉(zhuǎn)換為電信號，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶。 光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：從路邊到各用戶可使用星形結(jié)構(gòu)雙絞線作為傳輸媒體。,光纖到大樓 FTTB,100 M,10 M,10 M,1000M,吉比特

26、以太網(wǎng),光結(jié)點匯接點,1 Gb/s,1 Gb/s,高速光結(jié)點匯接點 GigaPoP,本章小結(jié),1.物理層的主要任務(wù) 2.信道：向某一個方向傳送信息的媒體。 信道的極限傳輸速率 C=? 3.信道的五種復(fù)用技術(shù) 4.幾種傳輸媒體 5.三種寬帶接入技術(shù),作 業(yè),2-01 2-13 2-17 1-03 1-13 1-24,1. CDMA系統(tǒng)中使用的多路復(fù)用技術(shù)是_。 A、時分多路 B、波分多路 C、碼分多址 D、空分多址 2.下面圖示的是哪種信道復(fù)用技術(shù)_。 A、頻分復(fù)用 B、時分復(fù)用 C、統(tǒng)計時分復(fù)用 D、碼分復(fù)用,(1)如果數(shù)據(jù)傳輸速率為1Gbps，那么發(fā)送12.5Mbyte數(shù)據(jù)需要用 A)0.01s B)0.1s C)1s D)10s (2)關(guān)于TCP/IP模型與OSI模型對應(yīng)關(guān)系的描述中，正確的是 A)TCP/IP模型的應(yīng)用層對應(yīng)于OS