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

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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 2.1.1 Fourier 分析 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。
2.1.1 带宽受限信号 ‘b’ 编码为8位字节，以 ‘ ’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 带宽对信号的限制：仅仅只有谐波数不超过T* fc谐波才能传输。
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 数据传输率与谐波的关系. 一条普通的电话线. 它的截止频率大约为 3,000 Hz.
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7 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）
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 从数据通信的角度看，离散信号的频谱是周期性的，但是请注意，是以频率零点为对称的，因此，基带部分是单边带。速率越高，周期越大，通过理想信道传输，相当于通过理想低通滤波，要想无失真采样恢复，低通带宽必须大于等于离散信号频谱周期的一半（基带部分刚好通过），否则无论如何无法弥补丢失的基带频率分量（多出的可以再滤波）。 一个单一频率信号，进行混频调制，都会产生相加减两个频率信号，也就是双边带信号的搬移，双边带信号理论上可以去掉一半，节省一半频带。基带信号只有单边带是实在的，只占用单边带带宽。采样都是按基带带宽的两倍频谱周期化，因此，采样速率高于两倍基带频谱宽度，理论上才能无失真周期化，也才可能无失真低通恢复。这是从采样恢复的角度看。 Shannon公式指的也是单边带带宽。 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。
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 UTP：无屏蔽双绞线 (a) 3类 UTP: 16 MHz (b) 5类 UTP: 100 MHz
两根相互绝缘的铜线构成 UTP：无屏蔽双绞线 (a) 3类 UTP: 16 MHz (b) 5类 UTP: 100 MHz 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
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12 2.2.4 光纤 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。 计算机CPU速率与通信传输速率的赛跑
光纤 计算机CPU速率与通信传输速率的赛跑 ( ) PC CPU : 4.77 MHz ~2 GHz 每10年20倍 ( ) 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.
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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。
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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
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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。 Chromatic Dispersion Chromatic, or intramodal, dispersion occurs in both single mode and multimode optical fibers. Chromatic dispersion occurs because different colors of light travel through the fiber at different speeds. Since the different colors of light have different velocities, some colors arrive at the fiber end before others. This delay difference is called the differential group delay τ(λ) per unit length. This differential group delay leads to pulse broadening. Chromatic dispersion is measured using EIA/TIA in the time domain. Chromatic dispersion is also measured in the frequency domain using EIA/TIA and EIA/TIA These methods measure the composite optical fiber material and waveguide dispersion. To understand the contribution that material and waveguide dispersive mechanisms have on multimode and single mode fiber dispersion, refer to chapter 2. In this chapter we limit the discussion on chromatic dispersion to the time domain method described in EIA/TIA The chromatic dispersion of multimode graded-index and single mode fiber is obtained by measuring fiber group delays in the time domain. These measurements are made using multiwavelength sources or multiple sources of different wavelengths. A multiwavelength source could be a wavelength-selectable laser. The pulse delay for both a long test sample fiber and a short reference fiber are measured over a range of wavelengths. The pulse delay for the reference fiber as a function of wavelength is &tgr;in(λ). The pulse delay for the test fiber as a function of wavelength is &tgr; out(λ). The group delay &tgr;(λ). per unit length at each wavelength is where Ls is the test sample fiber length in kilometers (km) and Lref is the reference sample length in km. The fiber chromatic dispersion is defined as the derivative, or slope, of the fiber group delay curve with respect to wavelength. Generally, the group delay as a function of wavelength is fit to a simple mathematical function and the derivative calculated. The range of wavelengths over which meaningful data is obtained depends on the wavelength range of optical source(s) used. The zero-dispersion wavelength (λ0) and the zero-dispersion slope (S0) are determined from the chromatic dispersion curve. Q.12 Delay differences between the source wavelengths occur as the optical signal propagates along the fiber. What is this called? Q.13 What determines the range of wavelengths over which meaningful data is obtained for calculating the chromatic dispersion? 色散的分类 　　光纤的色散主要由模式色散、材料色散和波导色散组成。其中，材料色散与波导色散都与波长有关，所以又统称为波长色散。 模式色散 　　在多模光纤中，传输的模式很多，不同的模式，其传输路径不同，所经过的路程就不同，达终点的时间也就不同，这就引起了脉冲的展宽。对模式色散进行的严密分析比较复杂，这里仅作简单讨论。我们知道，在同一根光纤中，高次模到达终点走的路程长，低次模走的路程短，这就意味着高次模到达终点需要的时间长，低次模到达点需要的时间短。在同一条长度为的光纤上，最高次模与最低次模到达终点所用的时间差，就是这段光纤产生的脉冲展宽。 　　影响光纤时延差的因素有两个：纤芯－包层相对折射率差和光纤的长度。光纤的时延差与纤芯－包层相对折射率差成正比。其中是纤芯的折射率，是包层的折射率。越大，时延差就会越大，光脉冲展宽也越大。从减小光纤时延差的观点上看，希望较小为好，这种小的光纤称为弱导光纤。通信用光纤都是弱导光纤。另外，光纤越长，时延差也越大，色散也越大。 材料色散 　　材料色散是由光纤材料自身特性造成的。石英玻璃的折射率，严格来说，并不是一个固定的常数，而是对不同的传输波长有不同的值。光纤通信实际上用的光源发出的光，并不是只有理想的单一波长，而是有一定的波谱宽度。当光在折射率n的为介质中传播时，其速度v与空气中的光速C之间的关系为： 　　　　　　　　　　　　　　v=C/n 　　光的波长不同，折射率n就不同，光传输的速度也就不同。因此，当把具有一定光谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤内传输时，光的传输速度将随光波长的不同而改变，到达终端时将产生时延差，从而引起脉冲波形展宽。 波导色散 　　光纤的第三类色散是波导色散。由于光纤的纤芯与包层的折射率差很小，因此在交接口产生全反射时，就可能有一部分光进入包层之内。这部分光在包层内传输一定距离后，又可能回到纤芯中继续传输。进入包层内的这部分光强的大小与光波长有关，这就相当于光传输路径长度随光波波长的不同而异。把有一定波谱宽度的光源发出的光脉冲射入光纤后，由于不同波长的光传输路径不完全相同，所以到达终点的时间也不相同，从而出现脉冲展宽。具体来说，入射光的波长越长，进入包层中的光强比例就越大，这部分光走过的距离就越长。这种色散是由光纤中的光波导引起的，由此产生的脉冲展宽现象叫做波导色散。 三种色散的比较 　　一般来说，光纤三种色散的大小顺序是： 　　　　　　　　　　　　　　模式色散>材料色散>波导色散 　　对于多模光纤，总色散等于三者相加，在限制带宽方面起主导作用的是模式色散，其它两个色散影响很小。 　　对于单模光纤，因只有一个传输模式，故不存在模式色散，其总色散为材料色散和波导色散之和。为减小总的波长色散，要尽量选用窄谱线激光器作光源。 　　对光纤用户来说，一般只关心光纤的总带宽或总色散。光纤光缆在出厂时，也只标明光纤的总带宽或总色散。 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
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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
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24 电磁波谱 电磁波谱和它在通信中的用途. Ultraviolet
Electromagnetic wave Predicted by British physicist James Clerk Maxwell in 1865 First observed by German physicist Heinrich Hertz in 1887 Ultraviolet 电磁波谱和它在通信中的用途. 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： 跳频 直接序列扩频
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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
Ionosphere 电离层 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 (Industrial, Scientific, Medical)
电磁频谱政策 802.11b 802.11a 蜂窝电话 美国的ISM频段 (Industrial, Scientific, Medical) 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。
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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
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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
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37 Globalstar (a) 太空中转发信号. (b) 地面上转发信号
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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
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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
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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 干线 交换局 双绞线进入家庭和业务部门，模拟信号 通过光纤将交换局连接起来，数字信号
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。
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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 “猫”Modems (a) 二进制信号 (c) 调频 (b) 调幅 (d) 调相 波特 码元
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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. (a) (b)
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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
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50 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Lines)
下行控制 上行控制 1~5没有用 使用DMT的ADSL频谱划分方案. FDM (frequency division multiplexing) State Key Lab. on ISN, Xidian University.

51 ADSL 标准 ITU G.992.1(fullrate) 8Mbps 下行, 1Mbps 上行
通常, 512kbps 下行 ， 64kbps 上行 高级服务，1Mbps下行，256kbps上行 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

52 一个典型的ADSL设备示意图 NID (Network Interface Device)
DSLAM (Digital Subscriber Line Access Multiplexer ) State Key Lab. on ISN, Xidian University.

53 无线本地回路 LMDS系统的结构 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

54 干线和多路复用 干线：交换局之间的传输链路 复用： FDM TDM 目的为了在一条物理干线上尽可能的并发传输多个会话
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55 频分复用 (a) 初始带宽. (b) 被省频的带宽. (b) 复用后的信道
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56 波分复用 波分复用. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

57 PCM 信号 A B D C A B C D clock PAM signal PCM Signal Sample Quantify
Analog voice Digital Voice A B D C A B C D State Key Lab. on ISN, Xidian University.

58 时分复用 T1 线路 (1.544 Mbps). State Key Lab. on ISN, Xidian University.

59 时分复用 (2) Delta 调制（增量调制） State Key Lab. on ISN, Xidian University.

60 时分复用 (3) 更高阶线路上多路复用的T1流 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

61 SONET / SDH SONET (Synchronous Optical NETwork).
用于连接不同的光纤TDM系统 SDH (Synchronous Digital Hierarchy) CCITT standard : G.707, G.708, G.709 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

62 一个基本的 SONET frame State Key Lab. on ISN, Xidian University. 2005-9-7
SPE可以在任何地方起始，有利于及时承载用户信息。 开销中有正负调整字节，可以解决不同系统之间时钟的细小差异所导致的帧起始位置的偏差。正负调整之后，载荷的位置也发生了变化，因此要相应地调整SPE指针。 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

63 同步 - 系统由一个主时钟进行控制，主时钟控制每一个时间间隔
术语 同步 - 系统由一个主时钟进行控制，主时钟控制每一个时间间隔 SONET AND SDH 异步 – 不需要主时钟，只要检测到分组到来就可以接收 ATM(cell) State Key Lab. on ISN, Xidian University.

64 SONET /SDH 复用率. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

65 电路交换 (a) 电路交换 (b) 分组交换. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

66 报文交换 (a) 电路交换 (b) 报文交换 (c) 分组交换
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67 分组交换 电路交换和分组交换的比较. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

68 移动电话系统 第一代移动电话：模拟话音 第二代移动电话：数字话音 第三代移动电话：数字话音+数据
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69 高级移动电话系统（ AMPS ） (a) 在相邻的蜂窝单元中，频率不会被重用 (b) 为了增加更多的用户，可以使用更小的单元
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70 AMPS 信道分类 832个信道分为四类： 控制(base to mobile) ，用于管理系统
访问(bidirectional)，用于呼叫建立和信道分配 数据 (bidirectional)，用于语音、传真和数据 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

71 2.6.2 第二代移动电话：数字话音 数字高级移动电话系统D-AMPS
(a) 支持3个用户的D-AMPS信道. (b) 支持6个用户的D-AMPS信道. State Key Lab. on ISN, Xidian University.

72 GSM 使用124个频道，每个频道使用8个时隙的TDM系统
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73 GSM (2) GSM成帧层次结构的一部分 用户传输率为：33.854kbps 用户实际传输率为：24.7kbps
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74 CDMA – 码分多址 4个移动站的二进制时间片序列 时间片序列的双极表示 6个传输示例 站C的信号恢复过程
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75 第三代移动电话：数字语音与数据 IMT-2000 网络预期给用户提供的基本服务 高质量的语音传输 消息服务(代替email，传真、聊天等）
多媒体 (music, videos, films, TV, etc.) Internet 访问(web surfing, w/multimedia.) State Key Lab. on ISN, Xidian University.

76 2.7 有线电视 共天线电视 基于有线电视网络的Internet 频谱分配 Cable Modems
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77 2.7.1 共天线电视 早期的有线电视系统 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

78 基于有线电视网络的Internet HFC (Hybrid Fiber Coax) 有线电视网路
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79 基于有线电视网络的Internet（2） 固定电话系统 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

80 一个典型的用于internet访问的有线电视系统中频率的分配情况
频谱分配 一个典型的用于internet访问的有线电视系统中频率的分配情况 State Key Lab. on ISN, Xidian University.

81 Cable Modems 北美地区，上行和下行信道的细节 State Key Lab. on ISN, Xidian University.