杭州电子科技大学《计算机网络》物理层

五 层 协 议 的 体 系 结 构 应 用 层 (application layer) 运 输 层 (transport layer) 网 络 层 (network layer) 数 据 链 路 层 (data link layer) 物 理 层 (physical layer) 数 据 链 路 层5 应 用 层4 运 输 层3 网 络 层2 数 据 链 路 层1 物 理 层 情 书 应 用 层请 快 递运 输传 输 层 问 路网 络 层遵 守 交 通 规 则数 据 链 路 层送 信 物 理 层 物 理 层 提 纲 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 数 据 通 信 的 基 本 知 识 物 理 层 的 硬 件 设 施导 向 传 输 媒 体非 导 向 传 输 媒 体 物 理 层 的 软 件 技 术信 道 复 用 技 术数 字 传 输 系 统 技 术宽 带 接 入 技 术 提 纲 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 数 据 通 信 的 基 本 知 识 物 理 层 的 硬 件 设 施导 向 传 输 媒 体非 导 向 传 输 媒 体 物 理 层 的 软 件 技 术信 道 复 用 技 术数 字 传 输 系 统 技 术宽 带 接 入 技 术 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 物 理 层 的 主 要 任 务 物 理 层 的 特 征 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 物 理 层 的 主 要 任 务 物 理 层 的 特 征 543物 理 层 543物 理 传 输 媒 体主 机 1 AP2AP1 电 信 号 （ 或 光 信 号 ） 在 传 输 媒 体 中 传 播从 发 送 端 物 理 层 传 送 到 接 收 端 物 理 层 主 机 2物 理 层数 据 链路 层数 据 链路 层 物 理 层 的 主 要 任 务 物 理 层 向 数 据 链 路 层 提 供 的 服 务 ：物 理 连 接 的 建 立 、 维 护 与 释 放 ；数 据 链 路 实 体 通 过 与 物 理 层 的 接 口 ， 将 数 据 传 送 给 物 理层 ， 通 过 物 理 层 按 比 特 流 的 顺 序 ， 将 信 号 传 输 到 另 一 个数 据 链 路 实 体 。 物 理 层 设 计 时 主 要 考 虑 的 是 ：如 何 在 连 接 开 放 系 统 的 传 输 介 质 上 传 输 各 种 数 据 的 比 特流 ；数 据 传 输 方 式 选 择 （ 全 双 工 、 半 双 工 与 单 工 方 式 ？ ） 数 据 传 输 单 向 通 信 （ 单 工 ） 双 向 交 替 通 信 （ 半 双 工 ） 双 向 同 时 通 信 （ 全 双 工 ） 发 送 接 收单 向 通 道 双 向 通 道 双 向 通 道 (a) (b) (c) 发 送 接 收 发 送 接 收 接 收 发 送 接 收 发 送 单 工半 双 工全 双 工 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 物 理 层 的 主 要 任 务 物 理 层 的 特 征 物 理 层 的 特 征 机 械 特 性 ： 指 明 接 口 所 用 接 线 器 的 形 状 和 尺 寸 、引 线 数 目 和 排 列 、 固 定 和 锁 定 装 置 等 等 。 电 气 特 性 ： 指 明 在 接 口 电 缆 的 各 条 线 上 出 现 的 电压 的 范 围 。 功 能 特 性 ： 指 明 某 条 线 上 出 现 的 某 一 电 平 的 电 压表 示 何 种 意 义 。 过 程 特 性 ： 指 明 对 于 不 同 功 能 的 各 种 可 能 事 件 的出 现 顺 序 。 由 于 缺 乏 必 要 的 通 信 知 识 ， 在 介 绍 物 理 层通 信 时 我 们 需 要 补 充 关 于 数 据 通 信 的 基 础知 识 ！ 提 纲 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 数 据 通 信 的 基 本 知 识 物 理 层 的 硬 件 设 施导 向 传 输 媒 体非 导 向 传 输 媒 体 物 理 层 的 软 件 技 术信 道 复 用 技 术数 字 传 输 系 统 技 术宽 带 接 入 技 术 数 据 通 信 的 基 本 知 识 数 据 通 信 系 统 信 道 的 相 关 概 念 和 信 道 的 极 限 容 量 数 据 通 信 的 基 本 知 识 数 据 通 信 系 统 信 道 的 相 关 概 念 和 信 道 的 极 限 容 量 数 据 通 信 系 统 的 基 础 概 念 信 号 是 数 据 在 传 输 过 程 中 电 信 号 的 表 示 形 式 ； 模 拟 信 号 的 信 号 电 平 是 连 续 变 化 的 ； 数 字 信 号 是 用 两 种 不 同 的 电 平 去 表 示 0、 1比 特 序 列 的电 压 脉 冲 信 号 表 示 ； 按 照 在 传 输 介 质 上 传 输 的 信 号 类 型 ， 通 信 系 统 分 为 模拟 通 信 系 统 与 数 字 通 信 系 统 两 种 。 0 V(t) t 0 V(t) t模 拟 信 号 数 字 信 号 数 据 通 信 系 统 的 模 型传 输系 统输 入信息 输入数据 发 送的 信 号 接 收的 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 信 号 模 拟 信 号输 入汉 字 显 示汉 字数 字 信 号数 据 通 信 系 统源 系 统 目 的 系 统传 输 系 统 输出信息PC 机模 拟 信 号 公 用 电 话 网噪 声 源 数 据 通 信 的 基 本 知 识 数 据 通 信 系 统 信 道 的 相 关 概 念 和 信 道 的 极 限 容 量 信 道 的 相 关 概 念 和 信 道 的 极 限 容 量 调 制 和 调 制 的 方 法 信 道 的 极 限 容 量 信 道 的 相 关 概 念 和 信 道 的 极 限 容 量 调 制 和 调 制 的 方 法 信 道 的 极 限 容 量 调 制 和 调 制 的 方 法 基 带 信 号 往 往 包 含 有 较 多 的 低 频 成 分 ， 甚 至 有 直流 成 分 ， 而 许 多 信 道 并 不 能 传 输 这 种 低 频 分 量 或直 流 分 量 。 为 了 解 决 这 一 问 题 ， 就 必 须 对 基 带 信号 进 行 调 制 (modulation)， 即 加 载 载 波 信 号 。最 基 本 的 二 元 制 调 制 方 法 有 以 下 几 种 ： 调 幅 (AM)： 载 波 的 振 幅 随 基 带 数 字 信 号 而 变 化 。 调 频 (FM)： 载 波 的 频 率 随 基 带 数 字 信 号 而 变 化 。 调 相 (PM)： 载 波 的 初 始 相 位 随 基 带 数 字 信 号 而 变 化 。 0 1 0 0 1 1 1 0 0基 带 信 号调 幅调 频调 相 思 考 ： 三 种 方 式 中 哪 种 抗 干 扰 性 能 最 好 ， 为 什 么 ？ 频 率 高频 率 低随 调 制 信号 的 振 幅大 小 聚 拢或 扩 展 调 制 波 减 小 ，调 相 波 扩 展调 频 信 号 与 载 波 相 似基 带 信 号载 波 信 号调 幅 信 号调 相 信 号 调 制 波 增 大 ，调 相 波 聚 拢 信 道 的 相 关 概 念 和 信 道 的 极 限 容 量 调 制 和 调 制 的 方 法 信 道 的 极 限 容 量 信 道 的 极 限 容 量 任 何 实 际 的 信 道 都 不 是 理 想 的 ， 在 传 输 信 号 时 会产 生 各 种 失 真 以 及 带 来 多 种 干 扰 。 码 元 传 输 的 速 率 越 高 ， 或 信 号 传 输 的 距 离 越 远 ，在 信 道 的 输 出 端 的 波 形 的 失 真 就 越 严 重 。 数 字 信 号 通 过 实 际 的 信 道 有 失 真 ， 但 可 识 别 失 真 大 ， 无 法 识 别 实 际 的 信 道（ 带 宽 受 限 、 有 噪 声 、 干 扰 和 失 真 ）发 送 信 号 波 形 接 收 信 号 波 形 发 送 信 号 波 形 实 际 的 信 道（ 带 宽 受 限 、 有 噪 声 、 干 扰 和 失 真 ） 接 收 信 号 波 形 (1) 信 道 能 够 通 过 的 频 率 范 围 1924年 ， 奈 奎 斯 特 就 推 导 出 了 著 名 的 奈 氏 准 则 。 他 给出 了 在 假 定 的 理 想 条 件 下 ， 为 了 避 免 码 间 串 扰 ， 码 元的 传 输 速 率 的 上 限 值 。 在 任 何 信 道 中 ， 码 元 传 输 的 速 率 是 有 上 限 的 ， 否 则 就会 出 现 码 间 串 扰 的 问 题 ， 使 接 收 端 对 码 元 的 识 别 成 为不 可 能 。 如 果 信 道 的 频 带 越 宽 ， 也 就 是 能 够 通 过 的 信 号 高 频 分量 越 多 ， 那 么 就 可 以 用 更 高 的 速 率 传 送 码 元 而 不 出 现码 间 串 扰 。 (2) 信 噪 比 香 农 (Shannon)用 信 息 论 的 理 论 推 导 出 了 带 宽 受限 且 有 高 斯 白 噪 声 干 扰 的 信 道 的 极 限 、 无 差 错的 信 息 传 输 速 率 。 信 道 的 极 限 信 息 传 输 速 率 C 可 表 达 为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为 信 道 的 带 宽 （ 以 Hz 为 单 位 ） ；S 为 信 道 内 所 传 信 号 的 平 均 功 率 ；N 为 信 道 内 部 的 高 斯 噪 声 功 率 。 此 外 ， 信 道 带 宽 B内 的 噪 声 功 率 N=n0B， n0是 单 边 功 率 谱 密 度 香 农 公 式 的 意 义 信 道 的 带 宽 或 信 道 中 的 信 噪 比 越 大 ， 则 信 息 的 极 限 传输 速 率 就 越 高 。 只 要 信 息 传 输 速 率 低 于 信 道 的 极 限 信 息 传 输 速 率 ， 就一 定 可 以 找 到 某 种 办 法 来 实 现 无 差 错 的 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 样 的 ） ， 则 信 道 的 极 限 信 息 传 输 速 率 C 也 就 没 有 上 限 。 实 际 信 道 上 能 够 达 到 的 信 息 传 输 速 率 要 比 香 农 的 极 限传 输 速 率 低 不 少 。 注 意 对 于 频 带 宽 度 已 确 定 的 信 道 ， 如 果 信 噪 比不 能 再 提 高 了 ， 并 且 码 元 传 输 速 率 也 达 到了 上 限 值 ， 那 么 可 以 用 编 码 的 方 法 让 每 一个 码 元 携 带 更 多 比 特 的 信 息 量 ， 借 此 来 提高 信 息 的 传 输 速 率 。 一 幅 图 片 拟 在 模 拟 电 话 信 道 上 进 行 数 字 传 真 。 该 幅 图 片有 2.25*106个 像 素 。 设 每 个 像 数 有 16个 亮 度 等 级 ， 且 各亮 度 等 级 是 等 概 率 出 现 的 。 模 拟 电 话 信 道 的 带 宽 是 3KHz， 信 噪 比 为 30dB， 试 求 在 此 模 拟 电 话 信 道 上 传 输 该 幅 传真 图 片 所 需 的 最 小 时 间 。 1、 为 表 示 每 个 像 素 的 亮 度 等 级 所 需 的 信 息 量H=log216=4(bit)2、 一 幅 图 片 所 需 传 输 的 信 息 量H=2.25*106*4=9*106(bit)3、 设 该 幅 图 片 的 传 输 时 间 为 T， 则 图 片 的 信 息速 率 RR=9*106/T(bit/s)4、 模 拟 电 话 信 道 容 量C=Blog2(1+S/N)=3*103*log2(1+1000)=29.9*103(bit/s)5、 T min=9*106/29.9*103=0.301*103(s) 为 了 完 成 物 理 层 的 通 信 ， 我 们 需 要 软 件和 硬 件 的 支 持 ， 下 面 我 们 来 介 绍 物 理 层 硬件 设 施 和 软 件 技 术 的 内 容 ！ 提 纲 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 数 据 通 信 的 基 本 知 识 物 理 层 的 硬 件 设 施导 向 传 输 媒 体非 导 向 传 输 媒 体 物 理 层 的 软 件 技 术信 道 复 用 技 术数 字 传 输 系 统 技 术宽 带 接 入 技 术 物 理 层 硬 件 设 施 -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(H z)f (H z)f LF MF H F VH F UH F SH F EH F TH F波 段 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移 动无 线 电 电 信 领 域 使 用 的 电 磁 波 的 频 谱 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 双 绞 线铜 线 铜 线聚 氯 乙 烯 套 层 聚 氯 乙 烯套 层 屏 蔽 层绝 缘 层 绝 缘 层无 屏 蔽 双 绞 线 UTP 屏 蔽 双 绞 线 STP 双 绞 线 规 格 型 号计 算 机 网 络 综 合 布 线 使 用 第 三 、 四 、 五 类 。 这 五 种 型 号 如 下 ：1、 第 一 类 ： 主 要 用 于 传 输 语 音 （ 一 类 标 准 主 要 用 于 八 十 年 代 初 之 前 的 电 话 线 缆 ） ，不 用 于 数 据 传 输 。2、 第 二 类 ： 传 输 频 率 为 1MHz， 用 于 语 音 传 输 和 最 高 传 输 速 率 4Mbps的 数 据 传 输 ， 常见 于 使 用 4Mbps规 范 令 牌 传 递 协 议 的 旧 的 令 牌 网 。3、 第 三 类 :该 电 缆 的 传 输 频 率 为 16MHz,用 于 语 音 传 输 及 最 高 传 输 速 率 为 10Mbps的 数据 传 输 ， 主 要 用 于 10base-T。 （ 现 在 大 多 数 电 话 系 统 的 标 准 电 缆 ）4、 第 四 类 :该 类 电 缆 的 传 输 频 率 为 20MHz,用 于 语 音 传 输 和 最 高 传 输 速 率 16Mbps的 数据 传 输 ， 主 要 用 于 基 于 令 牌 的 局 域 网 和 10base-T/100base-T。 5、 第 五 类 :该 类 电 缆 增 加 了 绕 线 密 度 ,外 套 一 种 高 质 量 的 绝 缘 材 料 ,传 输 频 率 为100MHz,用 于 语 音 传 输 和 最 高 传 输 速 率 为 100Mbps的 数 据 传 输 ， 主 要 用 于 100base-T和 10base-T网 络 ， 这 是 最 常 用 的 以 太 网 电 缆 。 如 何 制 作 水 晶 头 ？ 一 根 双 绞 线 有 8条 颜 色 不 同 的 线 。序 号 1 2 3 4 5 6 7 8T568B 橙 白 橙 绿 白 蓝 蓝 白 绿 棕 白 棕T568A 绿 白 绿 橙 白 蓝 蓝 白 橙 棕 白 棕 1、 3用 于 发 送 ； 4、 6用 于 接 受 ； 2、 5、 7、 8既 可 以 发 送 也 可 以 接 受 注 意 ！引 脚 序 号 ：当 金 属 片 面 对 我 们 的 时 候 ，从 左 至 右 的 引 脚 序 号 是1 8。 水 晶 头 的 制 作 步 骤 1： 准 备 好 双 绞 线 、 RJ-45插 头 和 一 把 专 用 的 压 线 钳 。 用 压 线 钳 的 剥 线 刀 口 将 双 绞 线 的 外 保 护 套 管 划 开 （ 小 心不 要 将 里 面 的 双 绞 线 的 绝 缘 层 划 破 ） ， 刀 口 距 双 绞 线 的 端 头至 少 2厘 米 。 步 骤 3：将 划 开 的 外 保 护 套 管 剥 去 （ 旋 转 、 向 外 抽 ） 。 步 骤 4：露 出 双 绞 线 电 缆 中 的 4对 双 绞 线 。 步 骤 5：按 照 EIA/TIA-568B标 准 和 导 线 颜 色 将 导 线 按 规 定 的 序 号 排 好。 步 骤 6：将 8根 导 线 平 坦 整 齐地 平 行 排 列 ， 导 线 间 不留 空 隙 。 步 骤 7：准 备 用 压 线 钳 的 剪 线 刀 口 将 8根 导 线 剪 断 。 步 骤 8：剪 断 电 缆 线 。 请注 意 ： 一 定 要 剪 得 很整 齐 。 剥 开 的 导 线 长度 不 可 太 短 。 可 以 先留 长 一 些 。 不 要 剥 开每 根 导 线 的 步 骤 9： 将 剪 断 的 电 缆 线 放入 RJ-45插 头 试 试 长 短（ 要 插 到 底 ） ， 电 缆 线的 外 保 护 层 最 后 应 能 够在 RJ-45插 头 内 的 凹 陷处 被 压 实 ， 反 复 进 行 调整 。 步 骤 10：在 确 认 一 切 都 正 确 后 （ 特 别 要 注 意 不 要 将 导 线 的 顺 序 排列 反 了 ） ， 将 RJ-45插 头 放 入 压 线 钳 的 压 头 槽 内 ， 准 备 最 后的 压 实 。 步 骤 11：双 手 紧 握 压 线 钳 的 手 柄 ， 用 力 压 紧 请 注 意 ， 在 这 一 步骤 完 成 后 ， 插 头 的 8个 针 脚 接 触 点 就 穿 过 导 线 的 绝 缘 外 层， 分 别 和 8根 导 线 紧 紧 地 压 接 在 一 起 。 步 骤 13 步 骤 13 测 试 时 将 双 绞 线 两 端的 水 晶 头 分 别 插 入 主 测 试仪 和 远 程 测 试 端 的 RJ-45端 口 ， 将 开 关 开 至“ ON” (S为 慢 速 档 )， 主机 指 示 灯 从 1至 8逐 个 顺 序闪 亮 。 把 线 插 入 到 RJ-45接 头 压 线 同 轴 电 缆外 导 体 屏 蔽 层 绝 缘 层绝 缘 保 护 套 层 内 导 体 光 纤 包 层 纤 芯 光 纤 的 工 作 原 理纤 芯包 层 光 线 在 纤 芯 中 传 输 的 方 式 是 不 断 地 全 反 射折 射 角入 射角 包 层（ 低 折 射 率 的 媒 体 ） 包 层（ 低 折 射 率 的 媒 体 ） 纤 芯（ 高 折 射 率 的 媒 体 ） 输 入 脉 冲 输 出 脉 冲单 模 光 纤光 纤 类 型输 入 脉 冲 输 出 脉 冲多 模 光 纤 失 真 !不 失 真 ! 单 模 多 模用 于 高 速 度 、 长 距 离 用 于 低 速 度 、 短 距 离成 本 高 成 本 低窄 芯 线 ， 需 要 激 光 光 源 宽 芯 线 ， 聚 光 好耗 散 极 小 ， 高 效 耗 散 大 ， 低 效 非 导 向 传 输 媒 体 无 线 传 输 所 使 用 的 频 段 很 广 。 短 波 通 信 主 要 是 靠 电 离 层 的 反 射 ， 但 短 波 信 道 的通 信 质 量 较 差 。 微 波 在 空 间 主 要 是 直 线 传 播 。 地 面 微 波 接 力 通 信卫 星 通 信 微 波 通 信 视 距 传 播 电 离 层 反 射 地 球 表 面 地 球 表 面 电 离 层 卫 星 通 信 卫 星 地 球 表 面 卫 星 发 送 多 点 接 收 多 点 接 收 常 用 传 输 媒 体 的 比 较传 输 媒 体双 绞 线50 同 轴 电 缆 75 同 轴 电 缆 光 纤 卫 星微 波 远 距 离 速 率模 拟 ： 300-3400Hz 数 字 : 4Mbps 10Mbps 300-450MHz 2Gbps 2-40GHz 500MHz 传 输 距 离 性 能 价 格 应 用 应 用 示 例5-6公 里2-3公 里 1-10公 里 100公 里 10-100公 里 几 百 公 里 上 万 公 里 可 以 较 好 较 好 很 好 很 好 很 好 很 低 较 低 较 高 较 高 与 距 离 无 关卫 星 及 火 箭造 价 较 高 用 户 环 线 LAN LAN CATV 模 拟 传 输数 字 传 输 数 字 模 拟 、 数 字 远 距 离 传 输 远 程 通 信 远 程 通 信 主 干 网 、 长 话 长 话 、 电 视 数 据 、 电 视 提 纲 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 数 据 通 信 的 基 本 知 识 物 理 层 的 硬 件 设 施导 向 传 输 媒 体非 导 向 传 输 媒 体 物 理 层 的 软 件 技 术信 道 复 用 技 术数 字 传 输 系 统 技 术宽 带 接 入 技 术 信 道 复 用 技 术 复 用 的 概 念 信 道 复 用 技 术 频 分 复 用 技 术 时 分 复 用 技 术 波 分 复 用 技 术 码 分 复 用 技 术 复 用 的 概 念 共 享 信 道 复 用 是 指 在 一 条 介 质 上 同 时 携 带 多 个 传 输 信 号 ,即 将 多 个 信号 组 合 在 一 条 物 理 信 道 上 进 行 传 输 ， 使 多 个 计 算 机 或 终 端 设备 共 享 信 道 资 源 ， 提 高 信 道 的 利 用 率 。信 道A1 A2B1 B2C1 C2信 道信 道 A1 A2B1 B2C1 C2复 用 分 用不 使 用 复 用 技 术 使 用 复 用 技 术 信 道 复 用 技 术 信 道 复 用 技 术 频 分 复 用 技 术 时 分 复 用 技 术 波 分 复 用 技 术 码 分 复 用 技 术 频 分 复 用 FDM 用 户 在 分 配 到 一 定 的 频 带 后 ， 在 通 信 过 程 中 自 始 至 终 都 占 用这 个 频 带 。 频 分 复 用 的 所 有 用 户 在 同 样 的 时 间 占 用 不 同 的 带 宽 资 源 . 实 例 ： 有 线 电 视频 率 时 间频 率 1频 率 2频 率 3频 率 4频 率 5 时 分 复 用 TDM 时 分 复 用 则 是 将 时 间 划 分 为 一 段 段 等 长 的 时 分 复 用帧 ( TDM帧 ) 。 每 一 个 时 分 复 用 的 用 户 在 每 一 个 TDM 帧 中 占 用 固 定 序 号 的 时 隙 。 每 一 个 用 户 所 占 用 的 时 隙 是 周 期 性 地 出 现 （ 其 周 期就 是 TDM帧 的 长 度 ） 。 TDM 信 号 也 称 为 等 时 信 号 。 时 分 复 用 的 所 有 用 户 是 在 不 同 的 时 间 占 用 同 样 的 频带 宽 度 。 举 例 ： 990kHz某 某 新 闻 台 ， 9:00地 球 嘹 望 、 12:10市民 与 社 会 、 16:05时 事 大 挑 战 、 19:02法 庭 内 外 等 就可 以 看 成 是 一 种 时 分 多 路 复 用 时 分 复 用 TDM频 率 时 间BCD BCD BCD BCDA A A A A 在 TDM 帧 中的 位 置 不 变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时 分 复 用 TDM频 率 时 间CD CD CDA A A AB B B BCDB 在 TDM 帧 中的 位 置 不 变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时 分 复 用 TDM频 率 时 间B D B D B DA A A ABC C C CD C 在 TDM 帧 中的 位 置 不 变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时 分 复 用 TDM频 率 时 间BC BC BCA A A ABCD D D D D 在 TDM 帧 中的 位 置 不 变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时 分 复 用 可 能 会 造 成线 路 资 源 的 浪 费 ABC D a abb c d b catttt t4 个 TMD帧#1 a cb c d时 分 复 用 #2 #3 #4用 户 使 用 时 分 复 用 系 统 传 送 计 算 机 数 据 时 ， 由 于 计 算 机 数 据 的突 发 性 质 ， 用 户 对 分 配 到 的 子 信 道 的 利 用 率 一 般 是 不 高 的 。 统 计 时 分 复 用 STDM用 户ABCD ab cd tttt t3 个 STDM 帧#1 a cb ab b ca c d#2 #3统 计 时 分 复 用 波 分 复 用 WDM 波 分 复 用 就 是 光 的 频 分 复 用 。 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm 20 Gb/s复用器 分用器EDFA120 km光 调 制 器 光 解 调 器 8 2.5 Gb/s1310 nm 码 分 复 用 CDMA 各 用 户 使 用 经 过 特 殊 挑 选 的 不 同 码 型 ， 因 此 彼 此 不会 造 成 干 扰 。 这 种 系 统 发 送 的 信 号 有 很 强 的 抗 干 扰 能 力 ， 其 频 谱类 似 于 白 噪 声 ， 不 易 被 敌 人 发 现 。 每 一 个 比 特 时 间 划 分 为 m 个 短 的 间 隔 ， 称 为 码 片 实 例 ： 移 动 通 信 将 原 信 号 的 频 带 扩 宽 ， 再 经 调 制 发 送 出 去 ； 接 收 端接 收 到 经 扩 频 的 宽 带 信 号 后 ， 作 相 关 处 理 ， 再 将 其解 扩 为 原 始 数 据 信 号 。 CDMA的 工 作 原 理 * 正 交 向 量 及 其 特 征 CDMA如 何 利 用 正 交 向 量 正 交 向 量 及 其 特 征 n维 向 量 ： n个 有 次 序 的 数 a1、 a2、 、 an所 组 成 的 数组 称 为 n维 向 量 。 向 量 的 内 积 ： 设 有 n维 向 量 x=(x1,x2,x3, ,xn)T， y=(y1,y2,y3, ,yn)T， 令 x,y=x1*y1+x2*y2+ +xn*yn， 则 称 x,y为 向 量x和 y的 内 积 。 正 交 的 特 性 ： 如 果 x,y=0则 称 向 量 x与 y正 交 。 如x=0， 则 x与 任 何 向 量 都 正 交 。 CDMA如 何 利 用 正 交 向 量 首 先 ， CDMA将 每 一 个 比 特 时 间 划 分 为 m个 短的 时 间 间 隔 ， 称 为 码 片 。 m通 常 是 64或 128（为 了 简 单 起 见 ， 我 们 讲 课 时 设 置 为 8） 。 使 用 CDMA的 每 个 站 都 被 指 派 了 一 个 唯 一 的 m bit的 码 片 序 列 。 一 个 站 如 何 要 发 送 比 特 1，则 发 送 它 自 己 的 码 片 序 列 。 如 果 要 发 送 比 特0， 则 发 送 该 码 片 序 列 的 二 进 制 反 码 。 CDMA如 何 利 用 正 交 向 量 比 如 ， 指 派 给 S站 的 码 片 序 列 是 10101101，当 S要 发 送 比 特 1时 ， 它 就 发 送 码 片 序 列10101101， 而 当 要 发 送 比 特 0时 ， 就 发 送01010010。 为 了 方 便 ， 按 照 管 理 将 码 片 中的 0写 为 -1， 将 1写 为 +1。 因 此 S站 的 码 片 序列 就 是 (+1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1)。 CDMA如 何 利 用 正 交 向 量 每 个 站 被 指 派 一 个 唯 一 的 m bit 码 片 序 列 。如 发 送 比 特 1， 则 发 送 自 己 的 m bit 码 片 序 列 。如 发 送 比 特 0， 则 发 送 该 码 片 序 列 的 二 进 制 反 码 。 例 如 ， S 站 的 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 的 码 片 序 列 ： (1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA如 何 利 用 正 交 向 量 其 次 ， 在 CDMA中 ， 每 一 个 站 分 配 的 码 片 序 列 不 光 互不 相 同 而 且 要 求 互 相 正 交 。 由 上 边 的 正 交 向 量 的 特性 可 以 知 道 ， 任 意 两 个 站 之 间 的 码 片 序 列 的 内 积 都为 0。 此 外 ， 某 一 站 码 片 序 列 和 其 他 各 站 码 片 序 列的 反 码 的 向 量 内 积 也 为 0， 而 与 自 己 的 码 片 序 列 的反 码 的 内 积 为 -1。 正 是 这 一 点 使 得 各 个 站 能 够 在 收到 的 信 息 中 分 离 出 发 往 自 己 的 信 息 。 CDMA如 何 利 用 正 交 向 量 最 后 ， 接 收 站 是 如 何 分 离 发 给 自 己 信 息 的 呢 ？ 现在 假 如 X站 要 接 收 S站 发 送 的 数 据 ， X站 必 须 知 道 S站 所 特 有 的 码 片 序 列 。 X站 使 用 它 得 到 的 码 片 序 列与 接 收 到 的 信 号 进 行 内 积 （ 注 意 一 点 ， X站 收 到 的是 各 个 站 发 送 序 列 之 和 ） 。 那 么 其 他 站 的 信 号 都被 过 滤 掉 ， 而 只 剩 下 S站 发 送 的 信 号 。 当 S站 发 送比 特 1时 ， 在 X站 计 算 内 积 的 结 果 便 是 +1， 当 S站 发送 比 特 0时 ， 这 一 结 果 便 是 -1。 CDMA如 何 利 用 正 交 向 量 当 多 个 终 端 发 送 多 个 信 号 时 ， 信 号 就 会 在 空 中 叠 加 。 例 如码 片 序 列 是 (-1,-1,-1,-1)和 (+1,-1,+1,-1)， 叠 加 后 变 成(0,-2,0,-2)。 接 收 方 如 果 希 望 接 收 某 个 站 点 的 信 息 ， 则只 需 要 计 算 该 站 点 对 应 的 码 片 序 列 和 空 中 信 号 的 点 积 。 例 如 :(-1,-1,-1,-1).(0,-2,0,-2) = +1,说 明 发 送 的 数 字是 +1。 如 果 发 送 的 数 字 是 -1， 则 空 中 的 信 号 将 是 (+2,0,+2,0)，而 点 积 将 是 (-1,-1,-1,-1).(+2,0,+2,0) = -1 CDMA工 作 原 理 的 例 子 S 站 的 码 片 序 列 S 1 1 0 ttttt tm 个 码 片 tS 站 发 送 的 信 号 SxT 站 发 送 的 信 号 Tx总 的 发 送 信 号 Sx + Tx规 格 化 内 积 S (Sx + Tx)规 格 化 内 积 T (Sx + Tx)数 据 码 元 比 特发送端接收端 CDMA与 TDMA和 FDMA的 区 别 ， 就 好 像 一 个 国 际 会 议上 ， TDMA是 任 何 时 间 只 有 一 个 人 讲 话 ， 其 他 人 轮流 发 言 ； FDMA则 是 把 与 会 的 人 员 分 成 几 个 小 组 ，分 别 进 行 讨 论 ； 而 CDMA就 像 大 家 在 一 起 ， 每 个 人使 用 自 己 国 家 的 语 言 进 行 讨 论小 结 People Person 1 Person 1 ABC T1T2T3 TDMA 示 意 圖 AB C FDMA 示 意 圖 People Person 1 Person 1 ABC 英 文日 文 中 文 CDMA 示 意 圖 共 有 四 个 站 进 行 码 分 多 址 CDMA通 信 。 四 个 站 的 码 片序 列 为 ： 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)现 收 到 这 样 的 码 片 (-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)请 问 哪 个 站 未 发 送 码 片 ， 发 送 数 据 的 站 发 送 的 1 还 是 0？ 提 纲 物 理 层 的 主 要 任 务 及 特 性 数 据 通 信 的 基 本 知 识 物 理 层 的 硬 件 设 施导 向 传 输 媒 体非 导 向 传 输 媒 体 物 理 层 的 软 件 技 术信 道 复 用 技 术 数 字 传 输 系 统 技 术 脉 码 调 制 PCM体 制 同 步 光 纤 网 SONET和 同 步 数 字 系 列 SDH 脉 码 调 制 PCM体 制 脉 码 调 制 PCM体 制 最 初 是 为 了 在 电 话 局 之 间 的 中 继 线 上传 送 多 路 的 电 话 。 由 于 历 史 上 的 原 因 ， PCM有 两 个 互 不 兼 容 的 国 际 标 准 ，即 北 美 的 24路 PCM（ 简 称 为 T1） 和 欧 洲 的 30路 PCM（简 称 为 E1） 。 我 国 采 用 的 是 欧 洲 的 E1标 准 。 E1的 速 率 是 2.048 Mb/s， 而 T1的 速 率 是 1.544 Mb/s。 当 需 要 有 更 高 的 数 据 率 时 ， 可 采 用 复 用 的 方 法 。 同 步 光 纤 网 SONET和 同 步 数 字 系 列 SDH 旧 的 数 字 传 输 系 统 存 在 着 许 多 缺 点 。 其 中 最 主要 的 是 以 下 两 个 方 面 ： 速 率 标 准 不 统 一 。 如 果 不 对 高 次 群 的 数 字 传 输 速 率 进 行 标 准 化 ， 国 际范 围 的 高 速 数 据 传 输 就 很 难 实 现 。 不 是 同 步 传 输 。 在 过 去 相 当 长 的 时 间 ， 为 了 节 约 经 费 ， 各 国 的 数 字网 主 要 是 采 用 准 同 步 方 式 。 同 步 光 纤 网 SONET和 同 步 数 字 系 列 SDHSONET/SDH 标 准 1985年 ， Bellcore提 出 SONET（ Synchronous Optical NETwork） 标 准 。 1989年 ， CCITT提 出 SDH（ Synchronous Digital Hierarchy） 标 准 ， 与 SONET 有 微 小 差 别 。 SONET主 要 用 于 北 美 和 日 本 ， SDH主 要 用 于 欧 洲 和 中国 。 SONET/SDH， 采 用 TDM技 术 ， 是 同 步 系 统 ， 由主 时 钟 控 制 ， 时 钟 精 度 10 -9 同 步 光 纤 网 SONET 同 步 光 纤 网 SONET(Synchronous Optical Network)的 各 级 时 钟 都 来 自 一 个 非 常 精 确 的 主时 钟 。 第 1级 同 步 传 送 信 号 STS-1(Synchronous Transport Signal)的 传 输 速 率 是 51.84 Mb/s。 光 信 号 则 称 为 第 1级 光 载 波 OC-1， OC (Optical Carrier) 同 步 数 字 系 列 SDH ITU-T以 美 国 标 准 SONET为 基 础 ， 制 订 出 国 际 标准 同 步 数 字 系 列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)。 一 般 可 认 为 SDH与 SONET是 同 义 词 。 SDH的 基 本 速 率 为 155.52 Mb/s， 称 为 第 1级 同 步传 递 模 块 (Synchronous Transfer Module)， 即STM-1， 相 当 于 SONET体 系 中 的 OC-3速 率 。 线 路 速 率(Mb/s) SONET符 号 ITU-T符 号 表 示 线 路 速 率的 常 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-61244.160 OC-24/STS-24 STM-82488.320 OC-48/STS-48 STM-16 2.5 Gb/s4976.640 OC-96/STS-96 STM-329953.280 OC-192/STS-192 STM-64 10 Gb/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET的 OC级 /STS级 与 SDH的 STM级 的 对 应 关 系 SONET的 体 系 结 构 光 子 层路 径 层线 路 层段 层 线 路 (line) 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 (path)(section) (section) (section) SONET标 准 定 义 了四 个 光 接 口 层 光 子 层 (Photonic Layer) 处 理 跨 越 光 缆 的 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 的 同 步 和 复 用 。 路 径 层 (Path Layer) 处 理 路 径 端 接 设 备 PTE之 间 的 业 务 的 传 输 。 宽 带 接 入 技 术 xDSL技 术 光 纤 同 轴 混 合 网 （ HFC网 ） FTTx技 术 xDSL技 术 xDSL技 术 是 一 种 调 制 技 术 ， 在 双 绞 铜 线 的 两 端 分别 接 入 xDSL调 制 解 调 器 ， 即 可 利 用 其 高 频 宽 带 特性 传 送 高 速 数 据 。 它 在 同 一 铜 线 上 分 别 传 送 数 据和 语 音 信 号 。 xDSL中 “ x” 表 示 任 意 字 符 或 字 符 串 ， 根 据 所 采 取的 调 制 方 式 ， 获 得 的 信 号 传 输 速 率 和 距 离 的 不 同以 及 按 上 行 和 下 行 速 率 是 否 相 同 可 分 为 速 率 对 称型 和 速 率 非 对 称 型 两 种 。 xDSL技 术 的 分 类 速 率 对 称 型 的 xDSL有 HDSL、 SDSL等 多 种 形 式 。 HDSL采用 2对 双 绞 铜 线 实 现 双 向 速 率 对 称 通 信 ， 即 为 上 、 下行 通 信 提 供 相 等 的 带 宽 ， 有 效 传 输 距 离 5km。 它 很 适合 连 接 数 字 局 域 环 路 、 Internet服 务 商 和 校 园 网 等 应用 场 合 。 非 对 称 型 的 xDSL值 有 ADSL和 VDSL数 种 。 ADSL下 行 速 率很 高 ， 用 户 的 下 行 速 率 可 以 达 到 1.5至 8Mbps， 而 反 方向 的 上 行 速 率 为 16至 640kbps。 其 最 大 传 输 距 离 为5.5km， 适 用 于 下 行 数 据 量 很 大 的 Internet业 务 。 ADSL ADSL采 用 频 分 复 用 技 术 ， 可 将 电 话 语 音 和 数 据 流一 起 传 输 ， 用 户 只 需 加 装 一 个 ADSL用 户 端 设 备 ，通 过 分 流 器 (话 音 与 数 据 分 离 器 )与 电 话 并 联 ， 便可 使 一 条 普 通 电 话 线 就 同 时 通 话 和 上 网 且 互 不 干扰 。 因 此 ， 使 用 了 ADSL接 入 方 式 ， 等 于 在 不 改 变原 有 通 话 的 情 况 下 ， 另 外 增 加 了 一 条 高 速 上 网 专线 。 ADSL原 理 ADSL用 其 特 有 的 调 制 解 调 硬 件 来 连 接 现 有 双 绞 线连 接 的 各 端 ， 它 创 建 具 有 三 个 信 道 的 管 道 该 管 道 具 有 一 个 高 速 下 传 信 道 (到 用 户 端 )， 一 个中 速 双 工 信 道 和 一 个 POTS信 道 (4KHz)， POTS信 道用 以 保 证 即 使 ADSL连 接 失 败 了 ， 语 音 通 信 仍 能 正常 运 转 。 高 速 和 中 速 信 道 均 可 以 复 用 以 创 建 多 个低 速 通 道 。 ADSL的 组 成ATU-CATU-C ATU-RATU-C 用 户 线 电 话分 离 器 区 域 宽 带 网至 ISP 居 民 家 庭基 于 ADSL 的 接 入 网端 局 或 远 端 站DSLAM 至 本 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) 光 纤 同 轴 混 合 网 （ HFC网 ） HFC是 光 纤 同 轴 混 合 网 ， 指 采 用 光 纤 传 输 系 统 与 同 轴 电 缆分 配 网 相 结 合 的 宽 带 传 输 平 台 。 HFC的 主 要 特 点 是 传 输 容 量 大 ， 易 实 现 双 向 传 输 ， 从 理 论 上 讲 ， 一 对 光 纤 可 同 时 传送 150万 路 电 话 或 2000套 电 视 节 目 ； 频 率 特 性 好 ， 在 有 线 电 视 传 输 带 宽 内 无 需 均 衡 ； 传 输 损 耗 小 ， 可延 长 有 线 电 视 的 传 输 距 离 ， 25公 里 内 无 需 中 继 放 大 ； 光 纤 间 不 会 有 串 音 现 象 ， 不 怕 电 磁 干 扰 ， 确 保 信 号 的 传 输 质 量 。 HFC网 体 系 结 构 同 轴 电 缆 头 端模 拟 光 纤放 大 器 引 入 线 分 路 器光 纤 结 点 服 务 区 服 务 区服 务 区 FTTx技 术 FTTx（ 光 纤 到 ） 也 是 一 种 实 现 宽 带 居 民 接 入网 的 方 案 。 这 里 字 母 x 可 代 表 不 同 意 思 。 光 纤 到 家 FTTH (Fiber To The Home)： 光 纤 一 直铺 设 到 用 户 家 庭 可 能 是 居 民 接 入 网 最 后 的 解 决 方法 。 光 纤 到 大 楼 FTTB (Fiber To The Building)： 光纤 进 入 大 楼 后 就 转 换 为 电 信 号 ， 然 后 用 电 缆 或 双绞 线 分 配 到 各 用 户 。 光 纤 到 路 边 FTTC (Fiber To The Curb)： 从 路 边到 各 用 户 可 使 用 星 形 结 构 双 绞 线 作 为 传 输 媒 体 。 补 充 ： 物 理 层 设 备 不 可 避 免 的 信 号 衰 减 限 制 了 信 号 的 远 距 离 传 输 从而 使 每 种 传 输 介 质 都 存 在 传 输 距 离 的 限 制 。 但 是在 实 际 组 建 网 络 的 过 程 中 ， 经 常 会 碰 到 网 络 覆 盖范 围 超 越 介 质 最 大 传 输 距 离 限 制 的 情 形 。 为 了 解决 信 号 远 距 离 传 输 所 产 生 的 衰 减 和 变 形 问 题 ， 需要 一 种 能 在 信 号 传 输 过 程 中 对 信 号 进 行 放 大 和 整形 的 设 备 以 拓 展 信 号 的 传 输 距 离 、 增 加 网 络 的 覆盖 范 围 。 将 这 种 具 备 物 理 上 拓 展 网 络 覆 盖 范 围 功能 的 设 备 称 为 网 络 互 连 设 备 。 在 物 理 层 主 要 有 两 种 类 型 的 网 络 互 连 设 备 ， 即 中继 器 (repeater)和 集 线 器 (Hub)。 中 继 器 又 称 重 发 器 。 中 继 器 具 有 对 物 理 信 号 进 行 放 大 和再 生 的 功 能 ， 将 其 从 输 入 接 口 接 收 的 物 理 信 号 通 过 放 大和 整 形 再 从 输 出 接 口 输 出 。 中 继 器 具 有 典 型 的 单 进 单 出结 构 ， 所 以 当 网 络 规 模 增 加 时 ， 可 能 会 需 要 许 许 多 多 的单 进 单 出 结 构 的 中 继 器 作 为 信 号 放 大 之 用中 继 器 1. 中 继 器 的 功 能 中 继 器 主 要 负 责 在 两 个 结 点 之 间 双 向 转 发 工 作 ， 对 接 收信 号 进 行 再 生 和 发 送 ， 从 而 扩 展 网 络 连 接 距 离 。 中 继 器是 最 简 单 的 网 络 连 接 设 备 ， 主 要 完 成 物 理 层 的 功 能 ， 负责 在 两 个 结 点 的 物 理 层 上 按 位 传 递 信 息 ， 完 成 信 号 地 复制 、 调 整 和 放 大 功 能 ， 以 此 来 延 长 网 络 的 长 度 。中 继 器 2.中 继 器 的 使 用 原 则 使 用 中 继 器 应 遵 守 以 下 两 条 原 则 ： 一 是 用 中 继 器 连 接的 网 段 不 能 形 成 环 型 网 ； 另 一 个 是 用 中 继 器 将 电 缆 连接 起 来 的 段 数 是 有 限 的 。 对 于 以 太 网 ， 最 多 只 能 使 用 4个 中 继 器 ， 意 味 着 只 能 连 接 5个 网 段 即 遵 守 以 太 网 的 5-4-3-2-1规 则 。 其 中 ， 5是 局 域 网 最 多 有 5个 网 段 ； 4是全 信 道 上 最 多 可 连 4个 中 继 器 ； 3是 其 中 3个 网 段 可 连工 作 站 ； 2是 有 两 个 网 段 只 能 用 来 扩 长 而 不 连 任 何 站 ，其 目 的 是 减 少 竞 发 网 站 的 个 数 ， 而 减 少 发 生 冲 突 的 机率 ； 1是 由 此 组 成 一 个 共 享 局 域 网 。 中 继 器 假 定 某 信 道 受 奈 氏 准 则 限 制 的 最 高 码 元 速率 为 20000码 元 /秒 。 如 果 采 用 振 幅 调 制 ，把 码 元 的 振 幅 划 分 成 16个 不 同 等 级 来 传 送， 那 么 可 以 获 得 多 高 的 数 据 率 （ b/s） ? 用 香 农 公 式 来 计 算 一 下 ， 假 定 信 道 宽 带 为3100Hz， 最 大 信 息 传