通信線路類型及物理層協(xié)議PPT課件

1、2.12.22.32.42.5通信線路類型及物理層協(xié)議通信線路類型及物理層協(xié)議數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)通信的基本概念傳傳 輸輸 介介 質(zhì)質(zhì)頻帶傳輸技術(shù)頻帶傳輸技術(shù)基帶傳輸技術(shù)基帶傳輸技術(shù)2.62.7多路復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用技術(shù)同步光纖網(wǎng)與同步數(shù)字體系同步光纖網(wǎng)與同步數(shù)字體系1點點點通信線路及物理層協(xié)議點通信線路及物理層協(xié)議在分組交換網(wǎng)中，也采用了點點通信線路。如圖2.1所示。2廣播通信線路及物理層協(xié)議廣播通信線路及物理層協(xié)議（1）以太網(wǎng)是在同軸電纜上用廣播的方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)的。（2）無線網(wǎng)絡(luò)采用廣播方式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。2.2.1 信息、數(shù)據(jù)與信號信息、數(shù)據(jù)與信號 1信息信息組建計算機網(wǎng)絡(luò)的目的是實

2、現(xiàn)信息共享。2數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)計算機存儲與處理的是二進制數(shù)據(jù)。3信號信號在通信系統(tǒng)中，計算機表達的二進制代碼序列必須變換成信號之后，才能夠通過傳輸介質(zhì)進行傳輸。1串行通信與并行通信串行通信與并行通信通常是用8位的二進制代碼來表示一個字符。如圖2.2所示。2單工、半雙工與全雙工通信單工、半雙工與全雙工通信如圖2.3所示分別為單工、半雙工與全雙工通信。3同步技術(shù)同步技術(shù)（1）位同步。數(shù)據(jù)通信的雙方如果是兩臺計算機，盡管兩臺計算機的時鐘頻率相同，然而實際上不同計算機的時鐘頻率誤差是不相同的。（2）字符同步。標準的ASCII字符是由8位二進制0、1組成的。發(fā)送端以8位為一個字符單元來發(fā)送，接收端也以8位的字符

3、單元來接收。圖2.4給出了同步傳輸?shù)墓ぷ髟?。異步傳輸每個字符作為一個獨立的整體進行發(fā)送，字符之間的時間間隔可以是任意的。圖2.5給出了異步傳輸?shù)墓ぷ髟怼８鶕?jù)傳輸介質(zhì)（通信信道）的不同，將在傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘栴愋头譃槟M信號與數(shù)字信號。圖2.6給出了模擬信號與數(shù)字信號的波形。1延時延時（1）發(fā)送延時主機發(fā)送一個數(shù)據(jù)分組的第一位到最后一位需要一定的時間，這個時間叫做“發(fā)送延時”。【例如例如】就像火車通過一座橋，發(fā)送延時就是車頭開始到車尾進入橋起始處需要的時間。如圖2.7所示?！纠缋纭咳绻鳈C發(fā)送速率S=500Kbps，一個數(shù)據(jù)分組N=1106 b，發(fā)送該分組發(fā)送延時T1=N/S=1106

4、/500Kbps=2s。主機發(fā)送速率是一定的，對于100M網(wǎng)卡，發(fā)送速率100Mbps。（2）傳播延時傳播延時就是電磁波在傳輸介質(zhì)中傳輸需要的時間。電磁波在空間中的傳播速度為3108m/s，而在傳輸介質(zhì)（如雙絞線）中的傳播速度大約等于空間傳播速度的2/3。【例如例如】就像火車通過一座橋，傳播延時就是車頭進入橋起始處到車頭到達橋結(jié)束處需要的時間。例如，傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。 例如，傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。 例如，傳播

5、距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。 例如，傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。 例如，傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。 例如，傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。 例如，傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。

6、例如，傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。 例如，傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。 【例如例如】傳播距離L=500m，信號在傳輸介質(zhì)中的傳播速度為V=2108 m/s，那么信號的傳播延時T2=L/V=2.5s。（3）排隊延時當(dāng)分組從一個輸入端口進入路由器等待處理，以及在輸出隊列中等待轉(zhuǎn)發(fā)所需要的時間叫做排隊延時。如圖2.9所示。（4）處理延時主機與路由器接收到一個分組，需要分析該分組的頭部與數(shù)據(jù)部分、檢查源地址與目的地址、檢查校驗和、確

7、定分組傳輸是否出錯，然后查路由表確定下一站等，這些處理需要的時間叫做處理延時?？傃訒r=發(fā)送延時+傳播延時+排隊延時+處理延時2比特率比特率數(shù)據(jù)傳輸速率是指主機向傳輸介質(zhì)發(fā)送數(shù)據(jù)的速率，即每秒發(fā)送的二進制比特（bit）數(shù)。單位是bps，也稱為比特率。數(shù)據(jù)傳輸速率（S）為：S=1/T（bps）例如，發(fā)送1比特二進制位所需時間是1s，則數(shù)據(jù)傳輸速率為1Mbps。常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：Kbps（或者Kb/s）、Mbps（或者Mb/s）、Gbps（或者Gb/s）與Tbps（或者Tb/s）。其中： 1Kbps =1103 bps 1Mbps=1106bps 1Gbps=1109 bps 1Tbps=1

8、1012bps3帶寬帶寬“帶寬”本來是指信號具有的頻帶寬度，單位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）?，F(xiàn)在“帶寬”是數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)速率”的同義語。4數(shù)據(jù)校驗方法數(shù)據(jù)校驗方法（1）CRC檢錯技術(shù)的基本思想。現(xiàn)在廣泛使用的多項式P(x)有以下幾種：CRC-16=X16 +X15 +X2 +1CRC-CCITT=X16 +X12 +X5 +1CRC-32=X32 +X26 +X23 +X22 +X16 +X12 +X11 +X10 +X8 +X7 +X5 +X4 +X2 +X +1（2）CRC檢錯技術(shù)校驗碼計算。假設(shè)多項式P(x)為n階多項式。在幀的低位端加上n個0位，所以該幀現(xiàn)在包含m+n位

9、，對應(yīng)多項式為xnM(x)。利用模2除法，用對應(yīng)于P(x)的位串去除對應(yīng)于xnM(x)的位串，得到的余數(shù)（包括前面的0共n位）就是校驗碼?！纠?.1】 已知數(shù)據(jù)M=1101011011，多項式P(x)= X4+X1+X0。求完整的數(shù)據(jù)幀。P(x)為四階多項式，n4。在幀的低位端添加4個0后形成的數(shù)據(jù)串為M11010110110000。利用模2除法得出的余數(shù)R1110，如圖2.10所示。傳輸?shù)膸瑸椋?1010110111110。2.3.1 同軸電纜同軸電纜 同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層以及保護塑料外層所組成，結(jié)構(gòu)如圖2.11所示。同軸電纜不但抗干擾而且?guī)捒蛇_1GH

10、z，目前主要用于居民小區(qū)有線電視。同軸電纜不但抗干擾而且?guī)捒蛇_1GHz，目前主要用于居民小區(qū)有線電視。同軸電纜不但抗干擾而且?guī)捒蛇_1GHz，目前主要用于居民小區(qū)有線電視。雙絞線可以由1對、2對或4對相互絕緣的銅導(dǎo)線組成。局域網(wǎng)中所使用的雙絞線分為兩類：屏蔽雙絞線（STP）與非屏蔽雙絞線（UTP）。如圖2.12所示。常用的非屏蔽雙絞線UTP有3類線、5類線、超5類線、6類、7類等。1光纖通信光纖通信光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維（簡稱光纖）傳遞光脈沖進行通信。如圖2.13所示。2光波傳輸光波傳輸（1）光纖由于光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)，因此可以形成光波在光纖與包層的界面上的全反射。光纖包

11、括單模光纖與多模光纖。如圖2.14所示。 多模光纖比單模光纖的直徑大，容易衰減，傳輸距離近。 單模光纖纖芯很細，制造成本較高，在2.5Gbps傳輸速率下可傳輸幾十 公里。（2）光纜 光纜包含1根至幾百根光纖，加上加強芯和填充物，外加包帶和外套而成。必要時，可包括遠供電源線，完全可以滿足施工對強度的要求。如圖2.15所示。3光電轉(zhuǎn)換光電轉(zhuǎn)換由于計算機只能接收電信號，所以光纖連接計算機時需要用光電收發(fā)器進行光電轉(zhuǎn)換。對于光電轉(zhuǎn)換，在發(fā)送端，使用發(fā)光二極管（LED）或注入型激光二極管（ILD）作為光源。在接收端，使用光電二極管PIN檢波器將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。圖2.16給出了典型的光纖傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

12、目前，用于通信的主要有無線、微波、紅外與可見光。圖2.17描述了電磁波譜與通信類型的關(guān)系。1無線通信無線通信無線通信使用的頻段覆蓋范圍從低頻到特高頻。其中，調(diào)頻無線電通信使用中波MF。2微波通信微波通信在電磁波譜中，頻率在100MHz10GHz的信號稱為微波，它們對應(yīng)的信號波長為3cm3m。微波通信具有以下特點：微波通信具有以下特點：（1）微波信號傳播時不能繞射，因此兩個微波信號只能在可視的情況下才能正常接收。（2）微波信號的波長較短，利用機械尺寸較小的拋物面天線，就可以將微波信號的能量集中在很小的波束中發(fā)送出去，因此可以用很小的發(fā)射功率來進行遠距離通信。（3）微波信號的頻率很高，可以獲得較大

13、的通信帶寬。3蜂窩無線通信蜂窩無線通信由若干個小區(qū)構(gòu)成的覆蓋區(qū)稱為區(qū)群。由于區(qū)群的結(jié)構(gòu)酷似蜂窩，因此小區(qū)制移動通信系統(tǒng)又稱為蜂窩移動通信系統(tǒng)。用戶手機通過基站接入到移動通信網(wǎng)。4衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信常用的衛(wèi)星通信方法是在地球站之間利用位于約36000km高空的人造同步地球衛(wèi)星作為中繼器的一種微波接力通信。衛(wèi)星通信包括點點衛(wèi)星通信和衛(wèi)星廣播通信。為了利用模擬語音通信的電話交換網(wǎng)實現(xiàn)計算機的數(shù)字數(shù)據(jù)信號的傳輸，必須將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。將發(fā)送端的數(shù)字信號變換成模擬信號的過程稱為“調(diào)制”，接收端的模擬信號還原成數(shù)字信號的過程稱為“解調(diào)”。同時具備調(diào)制與解調(diào)功能的設(shè)備稱為調(diào)制解調(diào)器（Modem）。如圖

14、2.20所示為數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型。在調(diào)制過程中，選擇音頻范圍內(nèi)的某一角頻率的正（余）弦信號作為載波，該正（余）弦信號可以寫為：u(t)=Asin(t+0)圖2.21給出了模擬數(shù)據(jù)信號的編碼方法示意圖。1振幅鍵控振幅鍵控振幅鍵控（ASK）方法是通過改變載波信號振幅來表示數(shù)字信號1、0。例如，可以用載波幅度為A表示數(shù)字1，用載波幅度為0表示數(shù)字0。其數(shù)學(xué)表達式為2移頻鍵控移頻鍵控移頻鍵控（FSK）方法是通過改變載波信號角頻率來表示數(shù)字信號1、0。例如，我們可以用角頻率1表示數(shù)字1，用角頻率2表示數(shù)字0。其數(shù)學(xué)表達式為0sin()1( )00Atu t1020sin()1( )sin() 0Atu

15、tAt3移相鍵控移相鍵控（1）絕對調(diào)相。在載波信號u(t)中，0為載波信號的相位。最簡單的情況是：用相位的絕對值來表示它所對應(yīng)的數(shù)字信號。當(dāng)表示數(shù)字1時，取0=0；當(dāng)表示數(shù)字0時，取0=。這種簡單的絕對調(diào)相方法可以用下式表示：（2）相對調(diào)相。相對調(diào)相用載波在兩位數(shù)字信號交接處產(chǎn)生的相位偏移來表示載波所表示的數(shù)字信號。最簡單的相對調(diào)相方法是：兩比特信號交接處遇0，載波信號相位不變；兩比特信號交接處遇1，載波信號相位偏移。sin(0)1( )sin()0Atu tAt（3）多相調(diào)制。二相調(diào)制的方法是用兩個相位值分別表示二進制數(shù)0、1。表2.1給出了8相調(diào)相（QPSK-8）絕對調(diào)相的相位數(shù)值與所表示

16、的3位二進制數(shù)的對應(yīng)關(guān)系。比 特 位相對相位偏移值比 特 位相對相位偏移值000010018000145101225010901102700111351113152.5.1 數(shù)字信號編碼數(shù)字信號編碼 基帶傳輸中數(shù)字信號編碼方法如圖2.22所示。1非歸零碼非歸零碼NRZ碼可以規(guī)定用低電平表示數(shù)字“0”，用高電平表示數(shù)字“1”；也可以有其他表示方法。2曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼每比特的周期T分為兩部分，前部分傳送該比特的反碼，后部分傳送該比特的原碼。差分曼徹斯特編碼是曼徹斯特編碼的改進型，抗干擾能力更強。PCM技術(shù)的典型應(yīng)用是語音信號的數(shù)字化。語音信號是一種頻率在3003400Hz的模擬

17、信號。如圖2.23所示。1采樣采樣模擬信號數(shù)字化的第一步是采樣。模擬信號是電平連續(xù)變化的信號。采樣是每隔一定的時間間隔，將模擬信號的電平幅度取出作為測量幅度的樣本。圖2.24給出了PCM的采樣過程示意圖。2量化量化量化是將樣本幅度按量化級取值的過程。經(jīng)過量化后的樣本幅度為離散的量級值，已不是連續(xù)值。量化前要規(guī)定將信號分為若干量化級，例如可以分為128個量級。3編碼編碼編碼是用相應(yīng)位數(shù)的二進制代碼表示量化后的樣本的量級。當(dāng)脈沖編碼調(diào)制用于數(shù)字化語音系統(tǒng)時，每個量化級采用8位二進制編碼表示。tA(t)（7位）t00010010t10011001t20111011t31111011t41000011

18、t50011110t60010010t70001111將語音數(shù)據(jù)變成（8位）語音脈沖編碼調(diào)制PCM信號： 00010010 00011001 00111011 01111011 01000011 00011110 00010010 000011112.6.1 多路復(fù)用的基本概念多路復(fù)用的基本概念 多路復(fù)用、信道與通信線路的關(guān)系如圖2.25所示。時分多路復(fù)用可以分為同步時分多路復(fù)用與統(tǒng)計時分多路復(fù)用。時分多路復(fù)用的工作原理如圖2.26所示。1同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用方法是將通信線路的傳輸時間分成n個時間片，每個時間片固定地分配給一個信道，每個信道供一個用戶使用。圖2.26

19、中主機A分配信道1；主機B分配信道2；主機C分配信道3；主機D分配信道4。2統(tǒng)計時分多路復(fù)用統(tǒng)計時分多路復(fù)用異步時分多路復(fù)用（ATDM）又稱為統(tǒng)計時分多路（STDM）復(fù)用。統(tǒng)計時分多路復(fù)用允許動態(tài)地分配時間片，各個時間片只分配給需要發(fā)送數(shù)據(jù)的信道。頻分多路復(fù)用原理如圖2.27所示。波分多路復(fù)用的原理圖如圖2.28所示。碼分多址是手機移動通信中最基本的信道復(fù)用方法。基本設(shè)計思想如下：（1）給每一個站分配一個唯一的m位的“碼片”序列，通常m為64或128。（2）給每一個站分配的碼片序列是唯一的，同時不同站的碼片序列是正交的，即任意兩個碼片序列規(guī)格化內(nèi)積都是0。假設(shè)B站分配的碼片序列是0010111

20、0，則：任何一個碼片和該碼片自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1。例如：11A BA B0miiim22111111( 1)1mmmiiiiiiA AAAAmmm（3）移動通信系統(tǒng)確保下列兩點：一是所有的站所發(fā)送的碼片序列都是同步的；二是如果S站接收了A站的碼片序列，那么S站應(yīng)該知道A站分配的碼片序列。（4）如果A站向S站發(fā)送了二進制數(shù)據(jù)1，那么S站用接收到的信號用A站的碼片序列計算的內(nèi)積，結(jié)果應(yīng)該為+1；如果A站向S站發(fā)送了二進制數(shù)據(jù)0，那么S站用A站的碼片序列計算的內(nèi)積應(yīng)該為1；如果接收信號不是A站發(fā)送的數(shù)據(jù)，那么S站用A站的碼片序列計算的內(nèi)積應(yīng)該為0。【例例2.2】 設(shè)A站要發(fā)送的數(shù)據(jù)是110三個碼元，A站發(fā)送的擴頻信號為Ax。B站也發(fā)送110三個碼元，而B站的擴頻信號為Bx。S站收到的是疊加的信號S=Ax+Bx。2.7.1 基本速率標準：基本速率標準：Tx/Ex 1T1載波速率載波速率圖2.30給出了時分多路復(fù)用T1載波幀結(jié)構(gòu)示意圖。2E1載波速率載波速