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The Physical Layer

The Physical Layer. Chapter 2. The Theoretical Basis for Data Communication. Fourier Analysis Bandwidth-Limited Signals Maximum Data Rate of a Channel. Fourier Analysis. Fourier 发现周期信号可以分解 有限时间数据信号可以认为是不断重复相同模式的信号. Bandwidth-Limited Signals. 信号 01100010 及其部分频率的平方根振幅 .

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Presentation Transcript

  1. The Physical Layer Chapter 2

  2. The Theoretical Basis for Data Communication • Fourier Analysis • Bandwidth-Limited Signals • Maximum Data Rate of a Channel

  3. Fourier Analysis • Fourier发现周期信号可以分解 • 有限时间数据信号可以认为是不断重复相同模式的信号

  4. Bandwidth-Limited Signals 信号01100010 及其部分频率的平方根振幅. 带宽描述为传输过程中振幅不会明显减弱的频率范围0到fc (b) – (c)仅通过1次和2次谐波时合成的信号.

  5. Bandwidth-Limited Signals (2) (d) – (e)通过4次和8次谐波时合成的信号.

  6. Bandwidth-Limited Signals (3) 数据传输速率x bps意味每比特需要需要1/x s 如果每次传输8比特，则周期为8/x s，基频为x/8 给定带宽fc，则可传输8fc/x谐波 语音级线路 带宽稍大于3000Hz

  7. Maximum Data Rate of a Channel • Nyquist 带宽为H，无噪 最大数据传输率 ＝ 2Hlog2V (位/s) • S/N 衡量热噪声 • 分贝 10lgS/N; 3dB大约是S/N＝2 • Shannon 带宽为H，信噪比S/N的有噪信道 最大数据传输率=Hlog2(1+S/N)

  8. Guided Transmission Data • Magnetic Media • Twisted Pair • Coaxial Cable • Fiber Optics

  9. Magnetic Media 一辆满载磁盘，在高速公路上飞驰的货车！ 带宽性能好、延迟大 距离不限 可用于银行系统备份

  10. Twisted Pair 几公里的传输距离 几M的带宽，3类线4对16M，5类线100M 可用于电话系统，1根铜线直径约1mm (a) Category 3 UTP. (b) Category 5 UTP.

  11. Coaxial Cable 现代电缆带宽1G 传输距离：很长距离（约5公里） 可用于城域网和有线电视 50同轴电缆 75 同轴电缆 A coaxial cable.

  12. Fiber Optics 约50公里的传输距离（孤波->消除色散-> 数千公里） 理论带宽>50 000Gbps，实验室100G，实际几个G 可用于骨干网 多模光纤 单模光纤（100公里50G） (a)一束光按照不同的角度从氧化硅内部射到 空气/氧化硅界面. (b)通过完全内部反射，光线在光纤内部传播

  13. Transmission of Light through Fiber 红外区域的光通过光纤时的衰减 每公里衰减的分贝＝10lg（发送的能量/接收的能量） 0.8510-6m 1.30 10-6m 1.55 10-6m 25000 － 30000GHz

  14. Fiber Cables－1 玻璃芯 50um 8-10um 保护套 塑料外套 玻璃封套 低折射率 地表1米以内、海岸处电缆沟内、深水处水底 连接器（光损10-20%）、机械（5分钟 光损10％）、融合 (a)单根光纤结构. (b)三根光纤封起来的截面.

  15. Fiber Cables －2 光源－>(Fabry-Perot干涉计或Mach-Zehnder干涉计) －>光纤－>光敏二极管(响应时间1ns) 半导体激光光源 vs. LED光源.

  16. Fiber Optic Networks－1 有源光纤网络 传输距离几乎不受限制 存在全光中继器 比较脆弱

  17. Fiber Optic Networks －2 无源星型连接 计算机的数量受限制

  18. 光纤 vs. 铜线 • 带宽（几个Gbps vs. 小于3Gbps） • 传输距离（50km vs. 5km） • 电磁干扰（不受影响vs. 受影响） • 重量 （光纤很轻） • 铜线可以回收（铜资源） • 安全性（光纤难以搭线窃听） • 熟悉度（光纤较陌生） • 施工容易程度（光纤被弯曲时容易损害） • 传输方式（光纤单向传输） • 成本（光纤接口成本高）

  19. Wireless Transmission • 电磁波谱 • 无线电传输 • 微波传输 • 红外线和毫米波 • 光波传输

  20. 电磁波谱 • f  =c • 电磁波频率 f • 电磁波波长  • 光速 c=3108m/s • f(106Hz)  (m)=c/106=300，例100MHz波长为3米 •  f ＝ c   / 2 例1.30um处，若  ＝0.17um，则 f ＝30THz • 窄带 vs. 宽带 • 窄带  f / f<1 （单位Hz获得更多能量） • 宽带 跳频扩频 直接序列扩频 • 保密、抗噪等目的

  21. The Electromagnetic Spectrum 电磁波谱及其在通信中的用途.

  22. Radio Transmission 无线电波全方位传输 能量衰减空气中大致是1/r2 政府管制无线电 (a) VLF, LF, MF 波段，电波沿地表传播，容易穿透建筑物 (b) HF 波段，电波被电离层折射，可长距离通信

  23. 微波传输 • 100MHz以上频段，电波几乎按照直线传播 • 发射端和接收端天线必须精确对其 • 需要中继塔，塔间距正比于塔高的平方根 • 不容易穿透建筑物 • 存在多径衰减 • 4G左右的频段微波会被雨水吸收 • 相比于光纤的优点 • 不需要路权 • 相对比较低廉

  24. 电磁波谱的政策 • 政府为一些用途和组织分配电磁波频谱 • ITU-R为全球协调分配方案 • 选择承运商的方法 • 选美 • 抓阄 • 拍卖 • 功率管制IMS频段 • 工业、科学、医药 • 900M无应用、2.4G微波炉.雷达、5.7G 802.11a

  25. 红外线和毫米波 • 短距离通信 • 有方向性、便宜、易于制造 • 红外线不能穿透墙壁，防窃听性稍好 • 经营红外不需要政府许可

  26. Lightwave Transmission • 高带宽、低成本 • 激光束很细 • 不能穿透雨或浓雾、气流也会干扰

  27. Lightwave Transmission 气流会干扰激光通信，上图为双向系统

  28. Communication Satellites • 月亮反射信号 • 人造卫星 • 先放大信号再传输 • 异频发射应答器 • 弯曲的管道 • 卫星轨道周期 • T=K/a3/2, a为轨道半长轴 • 地表 90分钟 • 35800km 一昼夜 • 384000km 一个月 • 范艾伦带 • 地球同步卫星 • 中间轨道卫星 • 低轨道卫星 • 卫星 vs. 光纤

  29. Communication Satellites 卫星的数量 延迟 类型 高度 上范艾伦带 下范艾伦带 通信卫星和他们的一些特性，包括离地球的高度、上下 往返的延迟时间、为覆盖整个地球所需要的卫星数

  30. 地球同步卫星 • 1945年科幻小说家首先描述了地球同步卫星 • 1962年第一个GEO卫星(Telstar)升空，太空开始有利可图 • 轨道槽 • GEO间距需要大于2以避免干扰 • ITU分配轨道槽 • 频率资源 基本的卫星频段.

  31. 地球同步卫星 • 卫星的命运 • 新升－>太阳能电池板产生电能－>火箭发动机保持站位－>火箭燃料耗尽－>死亡 • 卫星的带宽 • 异频发射应答器40个、每个80M带宽 • 以FDM方式或者TDM方式划分信道 • 卫星的足迹（覆盖范围） • 一个空间波束，地表1/3 • 点波束，可以聚集到很小的地理区域 • 接收卫星信号 • VSAT低成本微型站，1W功率，1m天线，19.2k/512kbps • 特殊hub地面站，具有高增益天线 • 卫星传输的特点 • 典型值270ms，微波链路3us/km，同轴电缆和光纤5us/km • 天然的广播介质 • 传输的成本与地表距离无关

  32. 使用中心站的VSAT 此时典型延迟值是540ms

  33. 中间轨道卫星 功率弱一些的发射器也可以到达中间轨道卫星 24颗GPS卫星的轨道大约在18000km高度 范艾伦带内层距赤道3000-6000公里 外层距赤道20000-25000公里

  34. Low-Earth Orbit Satellites铱计划 (a) The Iridium satellites from six necklaces around the earth. (b) 1628 moving cells cover the earth. • 延迟很低，几个ms • Motorola于1990年开始铱计划，1997年升空，1998年服务，1999年8月破产，卖2千5百万，2001年重新服务 • 高度750km，6条项链，66颗卫星，1628个点波束，253440个信道

  35. Globalstar • 48颗低轨道卫星 • 使用传统的弯曲管道技术 • 在地面上完成路由 (a)太空中转发信号. (b)地表上转发.

  36. 其它计划 • 288颗卫星的Teledesic ，原设计中是840多颗 • 30颗卫星的Teledesic 选定了MEO • 波音公司曾经是Teledesic 系统的主要投资者 • 3个月后，波音公司的位置被摩托罗拉公司替代 • 阿尔卡特（Alcatel）公司支持的“天桥”计划 SkyBridge • 休斯公司的“太空之路”（Spaceway） • 洛克希德－马丁公司的“宇宙链路”（Astrolink） • 劳拉公司的“计算机星”(Cyberstar) • 已经取消针对消费者市场的宽带系统计划，而只是为公司的宽带业务保留下Cyberstar这个名字。 • 洛克希德－马丁公司因资金筹措方面的困难放弃了Astrolink。 • 接替休斯公司的波音公司则还是计划继续研制一套缩减了3颗卫星的Spaceway系统，不过发射日程仍不确定。

  37. 卫星和光纤 • 普通的用户可以直接使用卫星服务 • 移动通信领域，在空中或者海上使用卫星服务 • 传输模式为广播的场合 • 恶劣地形或者地面设施很差的地区 • 很难获得路权的地区 • 快速部署 • 未来的主流通信会是地面光纤与蜂窝无线通信的结合，对某些特殊用途，卫星通信更有优势 • 关键在于价格

  38. Public Switched Telephone System 电缆经过公共道路不可能时，网络设计者只好使用已有的电信设施，或者某个宽带卫星计划成功？！ • Structure of the Telephone System • The Politics of Telephones • The Local Loop: Modems, ADSL and Wireless • Trunks and Multiplexing • Switching

  39. Structure of the Telephone System (a) Fully-interconnected network. 成对的电话 (b) Centralized switch. 贝尔电话公司的交换局 (c) Two-level hierarchy. 交换局连接起来

  40. Structure of the Telephone System (2) • 端局 本地中心局 • 本地回路 • 长途局 汇接局 • 长途连接干线 • 内部长途中继线 中距离电话的基本路径.

  41. Major Components of the Telephone System • 本地回路 • Analog twisted pairs going to houses and businesses • 干线 • Digital fiber optics connecting the switching offices • 交换局 • Where calls are moved from one trunk to another

  42. 电话业中的政治学 LATAs, LECs, IXCs关系. • 圆圈是LEC交换局，每个六边形属于某一个IXC • LEC本地交换承运商 • IXC跨区域交换承运商 • LATA本地访问和传输区域

  43. The Local Loop: Modems, ADSL, and Wireless 计算机通过Modem接入网络的典型结构图.

  44. 本地回路 • 传统上使用铜线传输模拟信号 • 存在三个主要问题 • 衰减：传播过程中的能量损失，不同谐波衰减程度不同 • 畸变：信号的不同谐波传播速度的差异造成 • 噪声 • 热噪声 • 串音 • 脉冲噪声 • 最后一英里的战争 • 802.11 WiFi • 802.16 WiMax • 光纤到户 • ADSL

  45. 调制解调器的调制方法 (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation

  46. 调制解调器 • Baud 每秒钟采样的次数 • Symbol 每次采样生成的符号 • 位传输率 每秒钟传输的bit的数量＝Baudlog2|symbol| • 高级调制解调技术 • QPSK • QAM16 • QAM64 • 星座图（拥有相同星座图的modem可互相通信） • TCM格子架编码调制 使用了1位完成奇偶校验 • V.32(4) V.32bis(6) V.34(12) V.34bis(14－>33.6kbps) • 全双工、半双工、单工 • V.90(33.6k/56k)，V.92(48k/56k)

  47. 调制解调器QAM星座图 • QPSK. (b) QAM-16. (c) QAM-64. 请问QAM64这种调制技术提供全双工信道时需要多少频率？

  48. TCM星座图 (b) (a) (a) V.32 for 9600 bps. (b) V32 bis for 14,400 bps.

  49. 作业 4 8 12 18 19 23

  50. 数字用户线路－1 • 有线电视和卫星公司的竞争 • 电话公司的解决方案：宽带 • 300－3400Hz的语音级线路 • 人为的滤波器 • xDSL • 去掉人为限制，接入另外一种交换机 • 受到本地回路的长度、粗细等因素影响 • 设计目标包括：月租、带宽>56kbps、本地回路和客户设备不变 • 3类线用于DSL时距离与带宽的关系和电话公司的受限服务.

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