第三章 物理層.ppt

第3章物理層 第2章物理層 2 1物理層的基本概念2 2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2 3物理層下面的傳輸媒體2 4模擬傳輸與數(shù)字傳輸2 5信道復(fù)用技術(shù)2 6物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例 2 1物理層的基本概念 物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性 即 機(jī)械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸 引線數(shù)目和排列 固定和鎖定裝置等等 電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍 功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義 規(guī)程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序 幾個(gè)術(shù)語 數(shù)據(jù) data 運(yùn)送信息的實(shí)體 信號 signal 數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn) 模擬的 analogous 連續(xù)變化的 數(shù)字的 digital 取值是離散數(shù)值 調(diào)制 把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程 解調(diào) 把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程 2 2 2有關(guān)信號的幾個(gè)基本概念 單向通信 單工通信 只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互 雙向交替通信 半雙工通信 通信的雙方都可以發(fā)送信息 但不能雙方同時(shí)發(fā)送 當(dāng)然也就不能同時(shí)接收 雙向同時(shí)通信 全雙工通信 通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息 基帶 baseband 信號和寬帶 broadband 信號 基帶信號就是將數(shù)字信號1或0直接用兩種不同的電壓來表示 然后送到線路上去傳輸 寬帶信號則是將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號 2 2 3信道的最高碼元傳輸速率 任何實(shí)際的信道都不是理想的 在傳輸信號時(shí)會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?或信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn) 在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重 奈氏 Nyquist 準(zhǔn)則 每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個(gè)碼元 Baud是波特 是碼元傳輸速率的單位 1波特為每秒傳送1個(gè)碼元 理想低通信道的最高碼元傳輸速率 2WBaud W是理想低通信道的帶寬 單位為赫 Hz 不能通過 能通過 0 頻率 Hz W Hz 另一種形式的奈氏準(zhǔn)則 每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒1個(gè)碼元 理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 WBaud W是理想帶通信道的帶寬 單位為赫 Hz 不能通過 能通過 0 頻率 Hz W Hz 不能通過 要強(qiáng)調(diào)以下兩點(diǎn) 實(shí)際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率 要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值 波特 Baud 和比特 bit 是兩個(gè)不同的概念 波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?每秒傳多少個(gè)碼元 碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率 波形速率或符號速率 比特是信息量的單位 要注意 信息的傳輸速率 比特 秒 與碼元的傳輸速率 波特 在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系 若1個(gè)碼元只攜帶1bit的信息量 則 比特 秒 和 波特 在數(shù)值上相等 若1個(gè)碼元攜帶nbit的信息量 則MBaud的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為M nb s 2 2 4信道的極限信息傳輸速率 香農(nóng) Shannon 用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限 無差錯(cuò)的信息傳輸速率 信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為C Wlog2 1 S N b sW為信道的帶寬 以Hz為單位 S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率 N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率 香農(nóng)公式表明 信道的帶寬或信道中的信噪比越大 則信息的極限傳輸速率就越高 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率 就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸 若信道帶寬W或信噪比S N沒有上限 當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的 則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限 實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少 奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍 源系統(tǒng) 傳輸系統(tǒng) 目的系統(tǒng) 傳輸系統(tǒng) 源點(diǎn) 終點(diǎn) 發(fā)送器 接收器 輸入信息 輸出信息 返回本章 2 3物理層下面的傳輸媒體 無線電 微波 紅外線 可見光 紫外線 X射線 射線 雙絞線 同軸電纜 衛(wèi)星 地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線電 光纖 電視 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 波段 1041051061071081091010101110121013101410151016 10010210410610810101012101410161018102010221024 移動無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜 2 3 1導(dǎo)向傳輸媒體 雙絞線屏蔽雙絞線STP ShieldedTwistedPair 無屏蔽雙絞線UTP UnshieldedTwistedPair 同軸電纜50 同軸電纜75 同軸電纜光纜 各種電纜 銅線 銅線 聚氯乙烯套層 聚氯乙烯套層 屏蔽層 絕緣層 絕緣層 外導(dǎo)體屏蔽層 絕緣層 絕緣保護(hù)套層 內(nèi)導(dǎo)體 無屏蔽雙絞線UTP 屏蔽雙絞線STP 同軸電纜 光線在光纖中的折射 折射角 入射角 包層 低折射率的媒體 包層 低折射率的媒體 纖芯 高折射率的媒體 包層 纖芯 2 3 2非導(dǎo)向傳輸媒體 無線傳輸所使用的頻段很廣 短波通信主要是靠電離層的反射 但短波信道的通信質(zhì)量較差 微波在空間主要是直線傳播 地面微波接力通信衛(wèi)星通信 返回本章 2 4模擬傳輸與數(shù)字傳輸2 4 1模擬傳輸系統(tǒng) 長途干線最初采用頻分復(fù)用FDM的傳輸方式FDM FrequencyDivisionMultiplexing 目前我國長途通信線路已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化 因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機(jī)到市話交換機(jī)之間的這一段幾公里長的用戶線上 調(diào)制解調(diào)器的作用 調(diào)制解調(diào)器 modem 包括 調(diào)制器 MOdulator 把要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍在300 3400Hz之間的模擬信號 以便在電話用戶線上傳送 解調(diào)器 DEModulator 把電話用戶線上傳送來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號 本書中的調(diào)制解調(diào)器是指使用在標(biāo)準(zhǔn)的二線模擬話路 3 1kHz的標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬 上的調(diào)制解調(diào)器 調(diào)制解調(diào)器的作用 續(xù) 調(diào)制器的主要作用就是個(gè)波形變換器 它把基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ谓庹{(diào)器的作用就是個(gè)波形識別器 它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復(fù)成原來的數(shù)字信號 若識別不正確 則產(chǎn)生誤碼 在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯(cuò)檢測和糾正的設(shè)施 幾種最基本的調(diào)制方法 調(diào)制就是進(jìn)行波形變換 頻譜變換 最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種 調(diào)幅 AM 載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)頻 FM 載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化 調(diào)相 PM 載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化 一種正交調(diào)制QAM QAM QuadratureAmplitudeModulation r r 可供選擇的相位有12種 而對于每一種相位有1或2種振幅可供選擇 由于4bit編碼共有16種不同的組合 因此這16個(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)可對應(yīng)于一種4bit的編碼 若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多 則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識別每一種狀態(tài)就越困難 調(diào)制解調(diào)器的速率 目前調(diào)制解調(diào)器的信息傳輸速率已很接近于香農(nóng)的信道容量極限了 要提高信息傳輸速率 只能設(shè)法提高信噪比 在電話的用戶線上 最大的噪聲來自模擬到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的量化噪聲 調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式 數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類 同步通信要求接收端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致 發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流 異步通信時(shí)不要求接收端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同步 發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后 可經(jīng)過任意長的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié) 異步通信的通信開銷較大 但接收端可使用廉價(jià)的 具有一般精度的時(shí)鐘來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 時(shí)分復(fù)用 為了有效地利用傳輸線路 可將多個(gè)話路的PCM信號用時(shí)分復(fù)用TDM TimeDivisionMultiplexing 的方法裝成時(shí)分復(fù)用幀 然后發(fā)送到線路上 中國采用歐洲體制 以E1為一次群 美國和日本等國采用北美體制 以T1為一次群 返回本章 2 5信道復(fù)用技術(shù) 2 5 1頻分復(fù)用 時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用 所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源 時(shí)分復(fù)用 所有用戶在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度 頻分復(fù)用 頻率 時(shí)間 頻率1 頻率2 頻率3 頻率4 頻率5 時(shí)分復(fù)用 頻率 時(shí)間 B C D B C D B C D B C D 時(shí)分復(fù)用 頻率 時(shí)間 C D C D C D A A A A C D 時(shí)分復(fù)用 頻率 時(shí)間 B D B D B D A A A A B D 時(shí)分復(fù)用 頻率 時(shí)間 B C B C B C A A A A B C 1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm7 01550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm 2 5 2波分復(fù)用WDM 波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用 8 2 5Gb s1310nm 20Gb s 復(fù)用器 分用器 EDFA 120km 2 5 3碼分復(fù)用CDM 常用的名詞是碼分多址CDMA CodeDivisionMultipleAccess 各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型 因此彼此不會造成干擾 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力 其頻譜類似于白噪聲 不易被敵人發(fā)現(xiàn) 每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔 稱為碼片 chip 碼片序列 chipsequence 每個(gè)站被指派一個(gè)惟一的mbit碼片序列 如發(fā)送比特1 則發(fā)送自己的mbit碼片序列 如發(fā)送比特0 則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼 例如 S站的8bit碼片序列是00011011 發(fā)送比特1時(shí) 就發(fā)送序列00011011 發(fā)送比特0時(shí) 就發(fā)送序列11100100 S站的碼片序列 1 1 1 1 1 1 1 1 CDMA的重要特點(diǎn) 每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同 并且還必須互相正交 orthogonal 在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列 碼片序列的正交關(guān)系 令向量S表示站S的碼片向量 令T表示其他任何站的碼片向量 兩個(gè)不同站的碼片序列正交 就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積 innerproduct 都是0 2 4 碼片序列的正交關(guān)系舉例 令向量S為 1 1 1 1 1 1 1 1 向量T為 1 1 1 1 1 1 1 1 把向量S和T的各分量值代入 2 4 式就可看出這兩個(gè)碼片序列是正交的 任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是 1 正交關(guān)系的另一個(gè)重要特性 2 6物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例 2 6 1EIA 232 E接口標(biāo)準(zhǔn)DTE DataTerminalEquipment 是數(shù)據(jù)終端設(shè)備 是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送 接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備 DCE DataCircuit terminatingEquipment 是數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備 它在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能 并且負(fù)責(zé)建立 保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接 EIA 232 V 24的信號定義 1