物理层 物理层为网络定义了机械的、电气的和时序的接口。 数据传输的理论分析 讨论三种传输介质：有导向的、无线的和卫星 举几个广泛用于广域计算机网路的通信系统的例子

1. 物理层 • 物理层为网络定义了机械的、电气的和时序的接口。 • 数据传输的理论分析 • 讨论三种传输介质：有导向的、无线的和卫星 • 举几个广泛用于广域计算机网路的通信系统的例子 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

2. 2.1 数据通信理论基础 • 通过某种物理特性的变化，例如电压、电流，就可以在线路上传输信息。 • 如果物理特性可以以时间函数g(t) 描述，就可以对其进行建模，然后用数学的手段对其进行分析。 2.1.1 Fourier 分析 • 任何一个正常的周期为T的函数g(t),都可以展开成多个（可能无限个）正弦和余弦函数的和： 其中 an和 bn是n次谐波的正弦和余弦的振幅，f=1/T是基频，c是常数，上述分解称为傅立叶级数。 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

3. 一个有限时间的数据信号可以想象成它在一遍一遍重复整个模式，也就是说T~2T之间的信号与0~T之间的信号完全一样，以此类推。一个有限时间的数据信号可以想象成它在一遍一遍重复整个模式，也就是说T~2T之间的信号与0~T之间的信号完全一样，以此类推。 2.1.1 带宽受限信号 • ‘b’ 编码为8位字节，以 ‘01100010’传输 • 如果T = 8, 可以计算最初几项的平方根振幅为： State Key Lab. on ISN, Xidian University.

4. 带宽：通常情况下，在从０到某个频率fc （Hz）的这段范围内，信号不会衰减。但是fc 之上的频率所对应的振幅都会有不同程度的衰减。将振幅衰减不明显的这段频率成为带宽（0到一半能量处0.707） • 带宽对信号的限制：仅仅只有谐波数不超过T* fc谐波才能传输。 例如：传输率b位/秒，发送8为需要8/b秒，一次谐波频率为：b/8Hz，截止频率3000Hz，则最高可以通过的谐波次数大约是3000*8/b。 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

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6. 一条普通的电话线. 它的截止频率大约为 3,000 Hz. 数据传输率与谐波的关系. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

7. 2.1.3 信道最大数据传输率 • Nyquist准则（抽样定律）： maximum data rate = 2Hlog2V bps H为低通滤波器带宽，V为信号包含的离散级数 • 香农公式（信道容量） maximum data rate = Hlog2(1+S/N) bps S/N为信噪比 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

8. 2.2 有导向的传输介质 2.2.1 磁介质 • 磁带或者可擦除的介质 特点：容量大，效率高，成本低，适于海量数据存储，但是几乎没有实时性。 例如： 200GB的磁带，一箱装1000个，其带宽为： 200*1000=200 terabytes/box/24hrs （by Federal Express） 1GB成本大概不到3美分，谁与争锋？ State Key Lab. on ISN, Xidian University.

9. 2.2.2 双绞线 两根相互绝缘的铜线构成 (a) 3类 UTP: 16 MHz (b) 5类 UTP: 100 MHz UTP：无屏蔽双绞线 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

10. 2.2.3 同轴电缆 • 两种类型 • 50-ohm：数字传输 • 75-ohm：有线电视 • 带宽： 1 GHz State Key Lab. on ISN, Xidian University.

11. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

12. 2.2.4 光纤 计算机CPU速率与通信传输速率的赛跑 • (1981--2001) PC CPU : 4.77 MHz ~2 GHz 每10年20倍 • (1981--2001) 通信速率 • 56 kbps to 1 Gbps 每10年125倍 并且错误率从10-5下降到几乎为零。 以后10G，100G 带宽有可能无限大，计算将成为瓶颈！因此网络应该尽可能避免计算开销，带宽考虑在其次。 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

13. 光纤 (a)三个例子：一束按照不同的角度从氧化硅内部射到空气/氧化硅的界面上. (b)全反射，光在光纤中传输. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

14. 多模和单模 • 多模：光纤按多种模式传播。不同的光束以不同的反射角传播. • 单模：直线传播不会反射，只有一种模式。 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

15. 通过光纤传输光 红外区域的光通过光纤时的衰减情况 All three bands are 25,000 to 30,000 GHz wide State Key Lab. on ISN, Xidian University.

16. 色散 • 光脉冲在光纤中传输过程中由于传播时延不同，到达时间不同的现象称为色散效应。色散对传输距离有很大的影响！ • 利用啁啾效应形成光孤子可以降低或者消除色散，从而提高传输距离。 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

17. 光缆 (a) 单根的结构. (b) 多根的结构 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

18. 光纤的连接方式 • 连接器终止并插到插口（socket）中 • 机械手段 • 光纤融合 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

19. 光源 半导体激光器和LED作为光源的比较 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

20. 接收端 • 光电二极管 PIN APD State Key Lab. on ISN, Xidian University.

21. 光纤网络1 带有有缘中继器的光纤环网. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

22. 光纤网络 (2) 光纤网络中无源星形连接. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

23. 无线传输 • 电磁波谱 • 无线电传输 • 微波传输 • 红外和毫米波 • 光波传输 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

24. 电磁波谱 电磁波谱和它在通信中的用途. Ultraviolet State Key Lab. on ISN, Xidian University.

25. 频段Δf的计算 • 给定波段的宽度Δλ，可以用下式计算出对应的频段Δf，进而计算出该频段的数据传输率（容量） Δf = cΔλ/λ2 例如：1.30um的波段， Δλ=0.17*10-6 则Δf大约为30THz，如果编码率为8位/Hz,则数据传输率为240Tbps State Key Lab. on ISN, Xidian University.

26. 通常大多数传输使用窄的频段，以获得最佳的接收能力，但也有例外：通常大多数传输使用窄的频段，以获得最佳的接收能力，但也有例外： • 跳频 • 直接序列扩频 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

27. 无线电传输 • 在VLF、LF和MF波段，无线电波沿着地面传播 • 在HF 波段,无线电波被电离层折射回来 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

28. 2.3.2 微波传输 • 在100MHz以上的频段，电磁波几乎按直线传播 • 因为地球是圆的，所以要想远距离传输则必须中继，中继器之间的距离大致上和塔高的平方根成正比，例如塔高100m，则中继器之间的距离为80km • 克服多径衰减问题 • 10G波段已经商用，但是4G波段以上雨水对微波吸收很强烈. • 便宜，易于铺设 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

29. 电磁频谱政策 802.11b 美国的ISM频段 (Industrial, Scientific, Medical) 802.11a 蜂窝电话 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

30. 光波传输 大气湍流、天气（例如雾）对其有影响. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

31. 2.4 通信卫星 • 地球同步卫星 • 中间轨道卫星 • 低轨道卫星 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

32. 通信卫星 通信卫星和它们的一些特性，包括离地球的高度、上下往返的时延，卫覆盖整个地球所需要的卫星数量。 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

33. 通信卫星 (2) 基本的卫星频段 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

34. 通信卫星 (3) 使用中心站的VSATs VSATs小孔终端 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

35. 中间轨道卫星 • MEO (Medium-Earth Orbit) • GPS (Global Positioning System) 24 颗卫星，轨道大约18000公里 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

36. 低轨道卫星铱计划（66颗） (a) Iridium 卫星构成了6条项链，覆盖整个地球 (b) 1628 移动的蜂窝覆盖地球 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

37. Globalstar (a)太空中转发信号. (b)地面上转发信号 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

38. 2.5 公共交换电话网络 • 电话系统的结构 • 电话业中的政治学 • 本地回路: Modems, ADSL and Wireless • 干线和多路复用 • 交换 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

39. 电话系统的结构 (a)全互连网路. (b)中心交换. (c)二级层次结构 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

40. 电话系统的结构 (2) 一个中距离电话的典型路径 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

41. 电话系统的主要部件 • 本地回路 • 双绞线进入家庭和业务部门，模拟信号 • 干线 • 通过光纤将交换局连接起来，数字信号 • 交换局 • 电话呼叫从一条干线接入到另一条干线 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

42. 电话业中的政治学（拆分） LATAs, LECs, and IXCs之间的关系. 所有的圆圈都是LEC交换局，每个六边形都属于某个IXC，内部的数字标明了该IXC的号码 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

43. 本地回路：猫，ADSL和无线 从计算机到计算机的呼叫同时用到了模拟和数字传输，在调制解调器和编解码器之间完成数模转换。 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

44. 本地环路 • “最后一英里”，从家庭到端局. • 传输线路存在的问题: • 衰减– 信号传播过程中的能量损失 • 延迟畸变– 不同频率的波在线路上传播的速率不同 • 噪声，热噪声，串音 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

45. (a)二进制信号 (b)调幅 (c)调频 (d)调相 “猫”Modems 波特 码元 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

46. 多进制调制 (a) QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying ) (b) QAM-16 ( Quadrature Amplitude Modulation). (c) QAM-64 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

47. Modems (3) (a) V.32 for 9600 bps. (b) V.32 bis for 14,400 bps. (b) (a) State Key Lab. on ISN, Xidian University.

48. modem V.32bis  V.34 (28.8kbps)  V.34 bis (33.6kbps，极限) V.90(上行33.6k，下行56k)V.92 (上行48k，下行56k) State Key Lab. on ISN, Xidian University.

49. 数字用户线路（xDSL） 3类UTP用于DSL时带宽与距离的关系 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

50. ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Lines) 下行控制 上行控制 使用DMT的ADSL频谱划分方案. 1~5没有用 FDM (frequency division multiplexing) State Key Lab. on ISN, Xidian University.