计算机网络物理层省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
《计算机网络物理层省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《计算机网络物理层省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx(152页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、第2章 物理层张瑞第1页第2章 物理层v2.1 基本通信理论v2.2 传输介质v2.3 同时光纤网和同时数字系列v2.4 物理层协议举例第2页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第3页2.1.1 数据通信基本概念v数据通信基本概念通信目标就是传递信息。一次通信中产生和发送信息一端叫信源,接收信息一端叫信宿。信源和信宿之间要有通信线路才能相互通信。按通信教授行话来说,通信线路称为信道,所以信源和信宿之间信息交换是经过信道进行v数据通信系统组成源系统(发送端、信源)传输系统
2、目标系统(接收端、信宿)第4页数据通信系统模型 传输系统输入信息输入数据发送信号接收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比特流数字比特流模拟信号模拟信号 输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目系统传输系统输出信息PC 机第5页几个术语v数据在信道中以电信号形式传送,电信号分为:模拟信号和数字信号模拟信号:是连续改变电压或电流波形数字信号:是一系列表示“0”和“1”电脉冲(码元)v数据(data)运输信息实体v信号(signal)数据电气或电磁表现 v“模拟”(analogous)连续改变v“数字”(digital)取值是离散数值v调制把数字信号转换为模拟信号
3、过程v解调把模拟信号转换为数字信号过程第6页模拟信号与数字信号(a)模拟信号 (b)数字信号 第7页模拟和数字数据、信号最早电话系统模拟数据数字化后,能够使用先进数字传输和交换设备,如当代电话系统有些传输媒体只适合传输模拟信号,如光纤和无线信道数字数据编码成数字信号设备,比起数字到模拟设备更简单、更廉价第8页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第9页2.1.2 数据通信中几个指标v信号传输速率v数据传输速率v信道容量v带宽v时延v误码率网络两个主要性能指标网络两个主要性
4、能指标信道极限数据速率信道极限数据速率无噪声无噪声有噪声有噪声第10页信道最高码元传输速率v任何实际信道都不是理想,在传输信号时会产生各种失真以及带来各种干扰 v码元传输速率越高,或信号传输距离越远,在信道输出端波形失真就越严重 第11页数字信号经过实际信道v有失真,但可识别v失真大,无法识别 实际信道(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信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)接收信号波形第12页v每秒钟发送码元数目,单位为波特(baud),信号传输速率又称为波特率。1 波特为每秒传送 1 个码元 v信道最高码元传输速率早在1924年,贝尔试验室研究员亨利奈奎斯
5、特(Harry Nyquist)就推导出了低通信道最高码元传输速率理想低通信道:信号全部低频分量,只要频率不超出某个上限,都能够不失真地经过信道理想带通信道:信号频率在某个范围F1F2之间频率分量能够不失真地经过信道,其它分量不能经过v信道带宽:信道所能传输电信号频率范围,单位为赫兹信号传输速率第13页奈氏(Nyquist)准则 v每赫带宽理想低通信道最高码元传输速率是每秒 2 个码元vBaud 是波特,是码元传输速率单位,1 波特为每秒传送 1 个码元 理想低通信道最高码元传输速率=2W Baud W 是理想低通信道带宽,单位为赫(Hz)不能经过能经过0频率(Hz)W(Hz)第14页另一个形
6、式奈氏准则 v每赫带宽理想带通信道最高码元传输速率是每秒 1 个码元理想带通特征信道最高码元传输速率=W Baud W 是理想带通信道带宽,单位为赫(Hz)不能经过能经过0频率(Hz)W(Hz)不能经过第15页奈氏准则之结论v在任何信道中,码元传输速率是有上限,传输速率超出此上限,就会出现严重码间串扰问题,使接收端对码元判决(即识别)成为不可能第16页数据传输速率v数据传输速率:每秒钟能传输二进制位数,单位比特/秒(bps),数据传输速率又称为比特率。v若码元状态数为2时,可用一个状态表示“1”,另一个状态表示“0”。此时比特率=波特率(即每秒钟传输二进制位数等于每秒钟传输码元数)。v若码元状
7、态数为4时,四种状态分别表示为“00”,“01”,“10”,“11”。则一个码元能够携带两位二进制数,此时比特率=2*波特率。v普通情况:若码元状态数为N,则比特率和波特率关系为:第17页关键点 v数据传输速率“比特/秒”与码元传输速率“波特”在数量上却有一定关系。v若 1 个码元只携带 1 bit 信息量,则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。v若 1 个码元携带 n bit 信息量,则 M Baud 码元传输速率所对应信息传输速率为 M n b/s。第18页信道容量(1)v信道容量也称为信道极限信息数据传输速率:表示信道传输数字信号能力,是信道所能支持数据速率上限。v对于无噪声低通信道:若
8、信道带宽为H,码元状态数为N。v依据奈奎斯特定理:B=2H(baud)v信道最大数据传输速率:S=B*Log2Nv所以有:S=2H*Log2N (bps)v无噪声信道N能够取任意值,所以无噪声信道信道容量是无限。第19页信道容量(2)v对于有噪声信道:N不能无限增加,香农(Shannon)用信息论理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰信道极限、无差错信息传输速率。若带宽为H有噪声信道,信道容量为:C=H log2(1+S/N)(bps)其中:S为信号功率,N为噪声功率,S/N为信道信噪比信噪比单位为分贝(dB),换算关系为:信噪比(dB)=10Log10(S/N)第20页香农公式之结论v信道带
9、宽或信道中信噪比越大,信息极限传输速率就越高v香农公式指出了信息传输速率上限v只要信息传输速率低于信道极限信息传输速率,就一定能够找到某种方法来实现无差错传输第21页带宽v“带宽”(bandwidth)原来是指信号含有频带宽度,单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫等)。一个特定信号常由不一样频率成份组成。信号带宽指信号各种不一样频率成份所占据频率范围。比如:电话信号标准带宽为3.1kHz,频率范围从300Hz到3.4kHz。v现在“带宽”是数字信道所能传送“最高数据率”同义语,单位是“比特每秒”,或 b/s(bit/s)。第22页v更惯用带宽单位是(通信领域)千比每秒,即 kb/s(103 b/s)兆
10、比每秒,即 Mb/s(106 b/s)吉比每秒,即 Gb/s(109 b/s)太比每秒,即 Tb/s(1012 b/s)v请注意:在计算机界,K=210=1024 M=220=1048576,G=230,T=240。惯用带宽单位第23页v在时间轴上信号宽度随带宽增大而变窄。每秒 106 个比特时间1 0 1 0 1 11 s带宽为1 Mb/s 时间每秒 4 106 个比特0.25 s带宽为4 Mb/s 数字信号流随时间改变第24页v时延:是指一个报文或分组从一个网络(或一条链路)一端传送到另一端所需时间。v时延分为:发送时延传输时延处理时延结点发送数据时使数据结点发送数据时使数据块从结点到传输
11、媒体块从结点到传输媒体电磁波传输时延电磁波传输时延排队,处理(存放、排队,处理(存放、转发)等转发)等时延(delay 或 latency)第25页1 0 1 1 0 0 1发送器队列在链路上产生传输时延结点 B结点 A在发送器产生发送时延(即传输时延)在队列中产生处理时延数据从结点 A 向结点 B 发送数据链路三种时延所产生地方第26页v发送时延(传输时延):发送数据时,数据块从结点进入到传输媒体所需要时间。即数据块第一个比特开始发送算起,到最终一个比特发送完成所需时间。v信道带宽:数据在信道上发送速率,常称为数据在信道上传输速率。发送时延=数据块长度(比特)信道带宽(比特/秒)时延(del
12、ay 或 latency)第27页v传输时延:电磁波在信道中需要传输一定距离而花费时间。电磁波在自由空间传输速率为光速,3.0*105km/s,在铜线中为2.3*105km/s,光纤中为2.0*105km/s。v信号传输速率(即发送速率)和信号在信道上传输速率是完全不一样概念。传输时延=信道长度(米)信号在信道上传输速率(米/秒)时延(delay 或 latency)第28页v处理时延 交换结点为存放转发而进行一些必要处理所花费时间。v结点缓存队列中分组排队所经历时延是处理时延中主要组成部分。v处理时延长短往往取决于网络中当初通信量。v有时可用排队时延作为处理时延。时延(delay 或 lat
13、ency)第29页v数据经历总时延就是发送时延、传输时延和处理时延之和:总时延=发送时延+传输时延+处理时延时延(delay 或 latency)第30页v对于高速网络链路,我们提升仅仅是数据发送速率而不是比特在链路上传输速率。v提升链路带宽减小了数据发送时延。v例题 注意点第31页v往返时延 RTT(Round-Trip Time)表示从发送端发送数据开始,到发送端收到来自接收端确实认(接收端收到数据后马上发送确认),总共经历时延。v复杂互联网中,RTT要包含各中间节点处理时延和转发数据发送时延。往返时延RTT第32页误码率v误码率:传输犯错码元数占传输总码元数百分比,是衡量数据通信系统在正
14、常工作情况下传输可靠性指标。v设传输总码元数为N,传输犯错码元数为Ne,则误码率Pe为:Pe=Ne/Nv误码率应用:误码率决定传输数据单元大小,信道质量较差,误码率比较大则采取较小数据单元传输。第33页误码率v例子:假设误码率为10-5(即每传输100,000比特,发生1比特错误);此时若数据单元为1000比特,则每发送100数据单元,发送一个错误,重传1000比特即可。此时若数据单元为10000比特,则每发送10个单元会发生1个错误,需要重传10000比特。v但并非数据单元越小越好,控制信息增加,额外开销增大。第34页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信
15、中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第35页2.1.3 数字调制技术v在计算机提供二进制数字信号与电话网提供模拟信号之间进行转换,这类技术统称为调制/解调技术。v连续波数字信号调制基带信号:将数字信号 1 或 0 直接用两种不一样电压来表示,然后送到线路上去传输。宽带信号:将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号。第36页数字信号调制v电路中使用两种电平分别表示“1”和“0”,这种原始电脉冲信号称为“基带信号”。v基带信号仅适合短距离数据传输,在计算机远程通信中,不能直接传输原始电脉冲信号v需要Modem,在发送端将基带信号转换成适合传输音频
16、信号(调制);在接收端再将音频信号转换成基带信号(解调)。第37页基带信号传输产生误码出现差错010010 0100还原后数据t接收到失真信号010011100t发送基带信号t采样时刻v数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。第38页调制解调器作用v调制器(MOdulator):把要发送数字信号转换为频率范围在 3003400 Hz 之间模拟信号,方便在电话用户线上传送。v解调器(DEModulator):把电话用户线上传送来模拟信号转换为数字信号。v调制器主要作用就是个波形变换器,它把基带数字信号波形变换成适合于模拟信道传输波形 v解调器作用就是个波形识别器,它将经过调制器变换过模拟信号恢复成
17、原来数字信号。若识别不正确,则产生误码。在调制解调器中还要有差错检测和纠正设施。第39页连续波数字信号调制v调制方法:选取一个适合于在线路上传输正弦波作为载波,让载波一些特征(幅度、频率、相位)随基带信号改变而改变。v基本调制方法振幅键控(ASK,Amplitude Shift Keying)频移键控(FSK,Frequency Shift Keying)相移键控(PSK,Phase Shift Keying)第40页几个最基本调制方法v调制就是进行波形变换(频谱变换)。v最基本二元制调制方法有以下几个:振幅键控:载波振幅随基带数字信号而改变。频移键控:载波频率随基带数字信号而改变。相移键控:
18、载波初始相位随基带数字信号而改变。第41页基带数字信号几个调制方法010011100基带信号振幅键控频移键控相移键控第42页振幅键控(ASK)v用载波不一样振幅来表示不一样二进制值。v比如对应二进制0,载波振幅为0(无载波);对应二进制1,载波振幅取1。v调幅技术实现起来简单,但抗干扰性能差。第43页频移键控(FSK)v用载波频率附近两个不一样频率,分别表示两个二进制数(0或1)。v比如对应二进制0载波频率为f1,而对应二进制1载波频率为f2。v这种调制技术抗干扰性能好,但占用带宽较大。第44页相移键控(PSK)v用载波相位(绝对值或改变)来表示数据。v比如:0对应相位“0”,1对应相位180
19、。v比如:发送信号与前一个信号同相(相位不发生改变),则表示“0”;发送信号与前一个信号反相(相位发生改变),则表示“1”。v注意:检测相位改变比检测相位值要轻易。第45页三种调制方式第46页脉冲编码调制PCMv模拟数据在时间上和取值上都是连续,对其进行数字信号编码,是将其转换成一系列在时间和取值上都是离散二进制数码脉冲,最惯用编码方法就是“脉冲编码调制PCM(Pulse Code Modulation)”v现在数字传输系统均采取脉码调制 PCM 体制。v因为历史上原因,PCM 有两个互不兼容国际标准,即北美 24 路 PCM(简称为 T1)和欧洲 30 路 PCM(简称为 E1)。vPCM包
20、含三个主要步骤:采样量化编码第47页采样v采样:实现时间上离散化。每隔一定时间间隔,取模拟信号当前值作为样本。该样本代表了模拟信号在某一时刻瞬时值。v采样依据:奈奎斯特(Nyquist)采样定理若对连续改变模拟信号进行周期性采样,假如采样速率大于模拟信号最高频率二倍,则能够用得到样本空间恢复原来模拟信号。即:标准电话信号最高频率3.4KHz,采样频率定位8KHz,即采样周期为125us。采样周期模拟信号最高频率第48页量化v量化:是使采样值在取值上离散化。取样后得到样本是连续值,这些样本必须量化为离散值。详细做法是:将原始信号取值范围划分为若干个等级,将每个采样值“取整”到离它最近一个等级上。
21、离散值个数(等级划分)决定了量化精度。我国电话信号PCM体制中,量化等级为256,即8位。第49页编码v编码:将量化后采样值用一定位数二进制数码来表示。v编码位数和量化级数相关,若量化级数为N,则每个采样值就能够编码成Log2N为二进制码。v我国PCM体制编码位数为8,即每个脉冲信号编码为8bit信息,因为每秒8000个脉冲,话音标准编码速率为64Kb/s。第50页ABCDBACD模拟话音模拟话音采样时钟采样时钟PAM PAM 信号信号PCM PCM 信号信号采样电路采样电路量化和比较量化和比较数字化声音数字化声音模拟模拟数字(数字(PCM)第51页PCM示意图采样周期 Tt信号t采样1001
22、001111000010t编码t解码t还原第52页2.1 基本通信理论 v2.1.1 数据通信基本概念v2.1.2 数据通信中几个指标v2.1.3 数字调制技术v2.1.4 多路复用技术v2.1.5 数字信号编码第53页2.1.4 多路复用技术v一条物理线路上仅传输一路信号,资源浪费。采取多路复用,能够将多路信号组合在一条物理信道上进行传输,在接收端再将各路信号分离开来,提升通信线路利用率。v多路复用技术:频分多路复用时分多路复用波分多路复用码分多路复用不使用复用技术不使用复用技术使用复用技术使用复用技术第54页频分多路复用v频谱:信号能量随频率分布规律为信号频谱。v信号带宽:能量集中区域为信
23、号带宽。v当信道带宽等于或大于信号带宽时,信号频谱在传输过程中不会被改变。v频分多路复用(Frequency Division Multiplexing,FDM):当信道带宽大于各路信号总带宽时,能够将信道分割成若干个子信道,每个子信道用来传输一路信号。要求:各路信号频谱在传输过程中不相互重合和干扰,采取频谱搬移技术。第55页FDM示意图第56页FDMv频分复用全部用户在一样时间占用不一样带宽资源(注意:这里“带宽”是频率带宽而不是数据发送速率)第57页时分多路复用vTDM(Time Division Multiplexing)将使用信道时间分成一个个时间片,按一定规则将这些时间片分配给各路信
24、号,每一路信号在自己时间片内独占整个信道进行传输。时间片大小能够按一次传送一位,一个字节或一个固定大小数据块所需时间来确定。v时分复用全部用户是在不一样时间占用一样频带宽度时隙,slot第58页TDM类型v同时TDM(普通TDM)时间片分配事先约定,且固定不变。优点:控制简单,接收设备依据预约时间片分配方案,将收到数据分发到不一样输出线路上。缺点:当某个信号源没有数据时,依然占用时间片,不能充分利用信道。v同时TDM将时间划分为一段段等长TDM帧,每个用户占用时隙周期性出现。即:信号源与时隙序号固定,即同时。第59页时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM
25、帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧信号频率信号频率第60页时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第61页时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第62页时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧第63页时分复用可能会造成线路资源浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1ac
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 计算机网络 物理层 公共课 一等奖 全国 获奖 课件
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【精****】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【精****】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。