1、課件制作人：謝希仁 謝鈞,計算機網(wǎng)絡(luò)教程（第 3 版）,第 2 章 物理層,課件制作人：謝希仁 謝鈞,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 2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 2.2.2 有關(guān)信道的幾個基本概念 2.2.3 提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑 2.3 物理層下面的傳輸媒體 3.3.1 導引型傳輸媒體 3.3.2 非導引型傳輸媒體,課件制作人：謝希仁 謝鈞,第 2 章 物理層（續(xù)）,2.4 信道復用技術(shù) 2.4.1 頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用 2.4.2 波分復用 2.4.3 碼分復用 2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng) 2.6 寬帶接入技術(shù) 2.6.1 ADSL技術(shù)

2、 2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng) 2.6.3 FTTx 技術(shù) 2.6.4 無線接入,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.1 物理層的基本概念,物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： 機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。 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。 規(guī)程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,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,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

3、,模擬信號,輸入 漢字,顯示 漢字,PC 機,課件制作人：謝希仁 謝鈞,幾個術(shù)語,數(shù)據(jù)(data)運送信息的實體。 信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 “模擬的”(analogous)連續(xù)變化的。 “數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.2.2 有關(guān)信道的幾個基本概念,單向通信（單工通信）只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。 雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。 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。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,編碼(coding)與調(diào)制(mod

4、ulation),通常人們將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的過程稱為編碼(coding)，而將數(shù)字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號的過程稱為調(diào)制(modulation)。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,(1)常用編碼方式,歸零制：正脈沖代表1，負脈沖代表0。 不歸零制：正電平代表1，負電平代表0。 曼徹斯特編碼：位周期中心的上跳變代表0，位周期中心的下跳變代表1。 差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,(1)常用編碼方式,課件制作人：謝希仁 謝鈞,基帶(baseband)信號和帶通(band pass)信號,基帶信號（即基本頻帶信

5、號）像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。 基帶信號往往包含有較多的低頻成分，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行調(diào)制(modulation)。 帶通信號(在計算機網(wǎng)絡(luò)中常叫做寬帶信號)把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號的頻率范圍搬移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）。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,(2)基本調(diào)制方法,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。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,(2)基

6、本調(diào)制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基帶信號,調(diào)幅,調(diào)頻,調(diào)相,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.2.3 提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑,任何實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?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,數(shù)字信號通過實際的信道,失真不嚴重 失真嚴重,實際的信道 （帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,輸入信號波形,輸出信號波形 (失真不嚴重),課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.2.3 提高數(shù)據(jù)傳輸速率的途徑,首先，要使用更好的傳輸媒體。 其次，使用先進的編碼和調(diào)制技術(shù)。 但不管采用怎樣好的傳

7、輸媒體和怎樣先進的調(diào)制技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率總是受限的，不可能任意地提高，否則就會出現(xiàn)較多的差錯。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.3 物理層下面的傳輸媒體,無線電,微波,紅外線,可見光,紫外線,X射線,射線,雙絞線,同軸電纜,衛(wèi)星,地面微波,調(diào)幅 無線電,調(diào)頻 無線電,海事 無線電,光纖,電視,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移動

8、無線電,電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.3.1 導向傳輸媒體,雙絞線 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair) 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同軸電纜 50 同軸電纜 75 同軸電纜 光纜,課件制作人：謝希仁 謝鈞,各種電纜,銅線,銅線,聚氯乙烯 套層,聚氯乙烯 套層,屏蔽層,絕緣層,絕緣層,外導體屏蔽層,絕緣層,絕緣保護套層,內(nèi)導體,無屏蔽雙絞線 UTP,屏蔽雙絞線 STP,同軸電纜,課件制作人：謝希仁 謝鈞,光線在光纖中的折射,折射角,入射角,包層 （低折射率的媒體）,包層 （低折射率的媒體）,

9、纖芯 （高折射率的媒體）,包層,纖芯,課件制作人：謝希仁 謝鈞,光纖的工作原理,高折射率 (纖芯),低折射率 (包層),光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?課件制作人：謝希仁 謝鈞,多模光纖與單模光纖,多模光纖,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.3.2 非導向傳輸媒體,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,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.4 信道復用技術(shù),復用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.4 信道復用技術(shù),2.4.1 頻分復用、時分復用和統(tǒng)計

10、時分復用 頻分復用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。 時分復用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,頻分復用,頻率,時間,頻率 1,頻率 2,頻率 3,頻率 4,頻率 5,課件制作人：謝希仁 謝鈞,時分復用,頻率,時間,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,課件制作人：謝希仁 謝鈞,時分復用,頻率,時間,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,課件制作人：謝希仁 謝鈞,時分復用,頻率,時間,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,課件制作人：謝希仁 謝鈞,時分復用,頻率,時間,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,課件

11、制作人：謝希仁 謝鈞,時分復用可能會造成線路資源的浪費,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 個時分復用幀,#1,a,c,b,c,d,時分復用,#2,#3,#4,用戶,課件制作人：謝希仁 謝鈞,統(tǒng)計時分復用 STDM,用戶,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 個 STDM 幀,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,統(tǒng)計時分復用,課件制作人：謝希仁 謝鈞,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 1

12、550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,2.4.2 波分復用 WDM,波分復用就是光的頻分復用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,復 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,光調(diào)制器,光解調(diào)器,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.4.3 碼分復用 CDM,常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 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。 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪

13、聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,碼片序列(chip sequence),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)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。 S 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),課件制作人：謝希仁 謝鈞,CDMA 的重要特點,每個站分配的碼片序列不僅必須各

14、不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。 在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機碼序列。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,碼片序列的正交關(guān)系,令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 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，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)都是 0：,(3-4),課件制作人：謝希仁 謝鈞,碼片序列的正交關(guān)系舉例,令向量 S 為(1 1 1 +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(3-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,任何一個

15、碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。 一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1。,正交關(guān)系的另一個重要特性,課件制作人：謝希仁 謝鈞,CDMA 的工作原理,S 站的碼片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 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,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.5 數(shù)字傳輸系統(tǒng),早期的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面： 速率標準不統(tǒng)一。 如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳

16、輸就很難實現(xiàn)。 不是同步傳輸。 在過去相當長的時間，為了節(jié)約經(jīng)費，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準同步方式。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,同步光纖網(wǎng) SONET,同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) 的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。 第 1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。 光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,同步數(shù)字系列 SDH,ITU-T 以美國標準 SONET 為基礎(chǔ)，制訂出國際標準

17、同步數(shù)字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。 一般可認為 SDH 與 SONET 是同義詞。 SDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當于 SONET 體系中的 OC-3 速率。,SONET 的 OC 級/STS 級與 SDH 的 STM 級的對應關(guān)系,課件制作人：謝希仁 謝鈞,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.6 寬帶接入技術(shù)2.6.1 ADSL技術(shù),ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line） 技術(shù)用數(shù)字技

18、術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務。 雖然標準模擬電話信號的頻帶被限制在 3003400 kHz 的范圍內(nèi)，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。 ADSL 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留給用戶上網(wǎng)使用。 “非對稱”是指ADSL的下行（從ISP到用戶）帶寬都遠遠大于上行（從用戶到ISP）帶寬。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,ADSL 的極限傳輸距離,ADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。,

19、課件制作人：謝希仁 謝鈞,ADSL 的特點,上行和下行帶寬做成不對稱的。 上行指從用戶到 ISP，而下行指從 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。 我國目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,DMT 技術(shù),DMT 調(diào)制技術(shù)采用頻分復用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，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。 每個子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴

20、格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。,課件制作人：謝希仁 謝鈞,DMT 技術(shù)的頻譜分布,頻譜,頻率,上行信道,傳統(tǒng)電話,0,4,下行信道,(kHz),約 1100 kHz,課件制作人：謝希仁 謝鈞,ADSL 的數(shù)據(jù)率,由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此 ADSL 采用自適應調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。 當 ADSL 啟動時，用戶線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信

21、號的傳輸質(zhì)量。 ADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。 通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。,ADSL 的組成,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-C,用戶線,電話 分路器,區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng),至 ISP,居民家庭,基于 ADSL 的接入網(wǎng),端局或遠端站,DSLAM,至本地電話局,PS,PS,數(shù)字用戶線接入復用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer) 接入端接單元 ATU (Access Termination Unit) ATU-C（C 代表端局

22、 Central Office） ATU-R（R 代表遠端 Remote） 電話分路器 PS (POTS Splitter),課件制作人：謝希仁 謝鈞,課件制作人：謝希仁 謝鈞,2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)HFC (Hybrid Fiber Coax),HFC 網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(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。 現(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹形拓撲結(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復用對電視節(jié)目進行單向傳輸。而 HFC 網(wǎng)則需要對 CATV 網(wǎng)進行改造，,課件制作人：謝希仁 謝鈞,HFC 網(wǎng)的結(jié)構(gòu),同軸電纜,頭端,光纖,放大器,引入線,分路器,光纖結(jié)點,服務區(qū),服務區(qū),服務區(qū),課件制作人：謝希仁 謝鈞,HFC 的頻譜劃分,下行信道,上行 信道,5 40 50 550 750 1000,原有模擬電視,數(shù)字信號,頻率(MHz),保留,課件制作人：謝希仁 謝鈞,用戶接口盒,用戶接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三種連接，即： 使用同軸電纜連接到機頂盒(set-top box)，然后再連接到用戶的電視機。 使用雙絞線連接