四网络物理层(2)

第2章物理层(2)2.3物理层下面的传输媒体2.3.1导向传输媒体2.3.2非导向传输媒体*2.4信道复用技术2.5.1频分复用、时分复用和统计时分复用2.5.2波分复用2.5.3码分复用*2.5数字传输系统2.3物理层下面的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(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱区别与联系：带宽与频率频率：物质在1秒内完成周期性变化的次数叫做频率。带宽（模拟）可以理解成信号传输的频率上下限之间的距离一条模拟线路可接收500HZ到2000HZ的频率，它的带宽就是1500HZ思考：为什么基带信号不适用于在信道上传输？低频分量、直流分量带宽（数字）可以理解成通信线路所能传送的数据的能力，带宽实际上就是信道的最高数据传输率传输媒体与分类传输媒体/媒介/介质：它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。分类导向传输媒体：固体媒体非导向传输媒体：自由空间数据传输与传输媒体数据传输的质量除了与传输的信号类型、收发器设备特性相关，还与传输媒体本身的特性相关着：物理特性传输特性地理特性抗干扰性价格2.3.1导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光缆1.双绞线定义由两根互相绝缘的金属（铜）导线并排放在一起，用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。用处可用于传输数字信号与模拟信号，其通信距离为几至几十公里，可用于局域网、城域网构建特性金属越粗，其传输距离也越远衰减随频率升高而增大使用更大和更精确的绞合度，可获得更高的带宽局域网常用的是三类线和五类线根据双绞线的类型，那么在进行网络布线的时候，布线方式也不一样，但一个网络中只能采用一种布线方式。分为UTP和STP两种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同轴电缆同轴电缆特点：抗干扰、噪声能力强用处一般用于有限电视网带宽取决于电缆的质量分为50欧姆（数字传输）与75欧姆（模拟传输）两种光缆光纤通信：利用光导纤维来传递光脉冲进行通信。特点：带宽非常大传输损耗小，中继距离长抗雷电和电磁干扰好无串音干扰，保密性好体积小重量轻进行中继时，光纤需要精确连接，光电接口贵光线在光纤中的折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）包层纤芯光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光纤的分类多模光纤：可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输单模光纤：光纤的直径只有一个光的波长，使得光纤就像一根波导那样，可使光纤一直向前传输，不会产生多次反射。小思考：二者谁的性能会更好？输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.3.2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（1）地面微波通信微波：频率在100MHZ~10GHz的信号微波通信的主要特点是：只能在视距内进行传播。优点：波段频率高、信道容量大、抗干扰能力强、设备投资小、可跨越山区等缺点：受气候印象大，相邻站必须直视、无障碍物；隐蔽性和保密性差，中继站的使用和维护需要耗费资源（2）卫星通信原理：在地球站之间人造卫星作为中继器的地面微波通信。特点：通信距离远、通信费用与通信距离无关，具有微波通信的一半特点。缺点：比较大的传播时延；卫星数量有限。2.4信道复用技术概念复习：基本的调制方法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。对基带数字信号的几种调制方法010011100基带信号调幅调频调相信道复用技术为什么要研究复用技术？复用技术原理：发送方将多个用户的数据通过复用器进行汇集并将汇集后的数据通过一条物理线路传输到接收方，接收方通过分离器将数据分离成各个单独的数据，然后分发给接收方的多个用户。常用的信道复用技术：频分复用、时分复用和统计时分复用、波分复用和码分复用2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用(1)频分复用频率时间频率1频率2频率3频率4频率5其将信道的可用频带分成多个不相交的频段，每个用户占其中一个频段，接收时用适当的滤波器分别进行解调接收主要问题频分多路复用系统中的主要问题是各路信号之间的相互串扰。解决方法：1.同时需要合理地选择载波频率2.并在各路频带之间留有一定的保护间隔3.使用BPF与LPF(2)时分复用为了有效地利用传输线路，可将多个话路的信号用时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。时分复用是将信道的使用时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），再根据一定的时隙分配原则，使各个用户在每帧内只能在指定的时隙使用信道发送数据时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用的注意问题对比频分复用（FDM）：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。时分复用(TDM)：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。存在的问题同步问题复用后的信道利用率不高时分复用可能会造成线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户统计时分复用STDM是一种改进的时分复用，可以提高信道利用率原理：是把公共信道的时隙实行“按需分配”，即只对那些需要传送信息或正在工作的终端才分配给时隙，这样就使所有的时隙都能得到使用，提高了媒质的利用率，统计时分复用STDM用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分复用WDM波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km2.4.3码分复用CDM常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。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。码片序列(chipsequence)每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。每个站被指派一个惟一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit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8bit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)码片序列的正交关系CDMA的重要特点:每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)都是0：011miiiTSmTS(2-4)码片序列的正交关系举例令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T为(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。正交关系的另一个重要特性任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。mimiimiiimSmSSm112211)1(111SSmmmiiiiiiS(S)(S)(())mmmSS2211111111CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttttm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规格化内积STx数据码元比特发送端接收端接收方如果要接受S的数据XXXS(ST)S*SCDMA的问题S原本的数据率为bp/s,在CDMA中需要提高到mbp/s，这通过扩频来实现如何保证每个节点的发送其码片序列的同步？GPS作业：2-11，2-12，2-162.5数字传输系统现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM(PulseCodeModulation)体制。采样周期Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原PCM脉冲编码调制PCM：是把模拟信号变换为数字信号的一种调制方式，其最大的特点是把连续输入的模拟信号变换为在时域和振幅上都离散的量，然后将其转化为代码形式传输。主要步骤：采用量化编码优点：抗干扰性强，失真小，传输特性稳定，远距离再生中继时噪声不累积，采用有效编码、纠错编码和保密编码可提高通信的有效性、可靠性和保密性。数字信号可以存储，并能进行时间标度的变换，可以实现时间与信号功率的互换。PCM可以把各种消息（声音、图像、数据等）都变换成数字信号进行传输，实现传输和交换一体化的综合通信，还可以实现数据传输与数据处理一体化的综合信息处理。缺点：传输带宽宽、系统较复杂。脉冲编码调制（PCM）