CH2-5ed物理層

1、第 2 章 物理層第 2 章 物理層2.1 物理層的基本概念2.2 數據通信的基礎知識2.3 傳輸媒體2.4 信道復用技術2.5 數字傳輸系統2.6 寬帶接入技術2.1 物理層的基本概念n物理層主要功能n考慮如何能在傳輸媒體上傳輸數據比特流。n向數據鏈路層屏蔽硬件設備和傳輸媒體的差異2.1 物理層的基本概念n物理層規(guī)程（協議）的主要任務是確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性： n機械特性 指明接口的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性 指明電壓的范圍。如比特0和1分別使用多少電壓表示。n功能特性 描述接口的功能，如定義接口的每一個引腳的功能。n過程特性 指明對于不同功能的各

2、種可能事件的出現順序。 物理層協議舉例nRS-232C接口標準n機械特性 規(guī)定使用一個9芯的標準連接器，并對該連接器的尺寸及針芯或孔芯的排列位置等做詳細說明n電氣特性 規(guī)定邏輯“1”的電壓為-15至-5伏，邏輯“0”的電壓為+5至+15伏，+5伏和-5伏之間為過渡區(qū)域不做定義。物理層協議舉例nRS-232C接口標準n功能特性 定義接口的每一個引腳的功能。物理層協議舉例nRS-232C接口標準n過程特性 n各根控制信號線在有序的“ON”(邏輯“0”)和“OFF”(邏輯“1”)狀態(tài)的配合下進行的。n在DTEDCE連接的情況下，只有DTR(數據終端就緒)和DSR(數據裝置就緒)均為“ON”狀態(tài)時，才

3、具備操作的基本條件。n此后，若DTE要發(fā)送數據，則須先將RTS(請求發(fā)送)置為“ON”狀態(tài)，等待CTS(允許發(fā)送)應答信號為“ON”狀態(tài)后，才能在TXD(發(fā)送數據)上發(fā)送數據。 2.2 數據通信的基礎知識2.2.1 數據通信系統的模型 傳輸系統輸入信息輸入數據發(fā)送的信號接收的信號輸出數據源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC 機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數據通信系統源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC 機數據通信術語n消息(message) 人能理解的信息n數據(data)運送消息的實體（消息的表示方法）n信號(signal)數據的電氣的或電磁的表現n

4、模擬信號(連續(xù)信號)取值是連續(xù)的。一般用一連串的正弦波或余弦波表示。n數字信號(離散信號)取值是離散的。一般是一連串表示0或表示1的脈沖信號。表示不同離散數值的脈沖信號成為碼元 2.2.2 有關信道的幾個基本概念n信道表示向某一個方向傳送信息的媒體n從通信雙方的交互方式分n單向通信只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。n雙向交替通信通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送。n雙向同時通信通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。 n信道表示向某一個方向傳送信息的媒體n從信道傳輸的信號分n模擬信道傳輸模擬信號的信道（適合短距離通信）n數字信道傳輸數字信號的信道（適合長距離通信）模擬信號如何在數字信

5、道上傳輸？模擬信號如何在數字信道上傳輸？數字信號如何在模擬信道上傳輸？數字信號如何在模擬信道上傳輸？ 2.2.2 有關信道的幾個基本概念數字信號在模擬信道上傳輸n數字信號必須經過調制才能在模擬信道上傳輸n基本的帶通調制方法有以下幾種：n調幅(Amplitude Modulation)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。 n調頻(Frequency Modulation)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。n調相(Phase Modulation) ：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。對基帶數字信號的幾種調制方法 010011100基帶信號調幅調頻調相常用的編碼方式不歸零制編碼曼徹斯特編碼 比特流

6、1111100000出現電平轉換n不歸零制編碼無法提供位同步信息n曼徹斯特編碼利用電壓的轉換提供位同步信息。2.2.3 信道的極限容量 n任何實際信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生失真實際的信道發(fā)送信號波形接收信號波形有失真，但可識別2.2.3 信道的極限容量 n碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重實際的信道發(fā)送信號波形接收信號波形有失真，但可識別失真大，無法識別 發(fā)送信號波形實際的信道接收信號波形2.2.3 信道的極限容量 n接收端收到的信號波形失去了碼元之間的清晰界限。這種現象稱為碼間串擾。實際的信道發(fā)送信號波形接收信號波形有失真，但可識別失真大，

7、無法識別 發(fā)送信號波形實際的信道接收信號波形2.2.3 信道的極限容量 n奈氏準則n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值碼元傳輸速率 = 2W （W是信道的帶寬Hz） （碼元傳輸速率的單位：碼元/s）2.2.3 信道的極限容量 n提高信息的傳輸速率的方法：n用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。n將信號分為2個等級，則1個碼元能攜帶1個比特信息量n將信號分為4個等級，則1個碼元能攜帶2個比特信息量n將信號分為n個等級，則1個碼元能攜帶log2n個比特信息量2.2.3 信道的極限容量 n提高

8、信息的傳輸速率的方法：n舉例：n要發(fā)送的比特為101011000110111010n將每3個比特編為一組：101，011，000，110，111，010n采用不同的調制方法來表示這些信號，如用8種不同的振幅，或8種不同的頻率，或8種不同的相位進行調制2.2.3 信道的極限容量 n兩個概念：n波特率 碼元傳輸的速率（即每秒傳輸多少個碼元）n比特率 數據傳輸的速率（即每秒傳輸多少個比特）n比特率= log2n波特率 （n是指分為多少個等級）2.2.3 信道的極限容量 n信噪比n噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中，噪聲會使接收端對碼元的判斷產生影響。n噪聲的影響是相對的，信號相對強，噪聲的影響就相

9、對小n信噪比：信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位。 信噪比（dB）=10log10(S/N)2.2.3 信道的極限容量 n香農公式n香農公式指出了帶寬受限且有噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。n信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為n C = W log2(1+S/N) b/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；nS 為信道內所傳信號的平均功率；nN 為信道內部的噪聲功率。 2.2.3 信道的極限容量 n香農公式n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現無差錯的傳輸。 n實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比

10、香農的極限傳輸速率低不少。 2.3 傳輸媒體n傳輸媒體：也稱為傳輸介質或傳輸媒介n指傳輸系統中發(fā)送器和接收器之間的物理鏈路n分為兩大類n導引型傳輸媒體（有線）n雙絞線n同軸電纜n光纜n非導引型傳輸媒體（無線）2.3.1 導向傳輸媒體n雙絞線：把兩根互相絕緣的銅導線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合起來n無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) n屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)無屏蔽雙絞線 UTP 屏蔽雙絞線 STP 2.3.1 導向傳輸媒體常用的雙絞線的類型、帶寬及典型應用雙絞線類別雙絞線類別帶寬帶寬典型應用典型應用316MH

11、z低速網絡，模擬電話420MHz短距離的10BASE-T以太網5100MHz10BASE-T以太網，某些100BASE-T快速以太網5E（超5類）100MHz100BASE-T快速以太網，某些1000BASE-T吉比特以太網6250MHz1000BASE-T吉比特以太網，ATM網絡7600MHz可能用于今后的10吉比特以太網2.3.1 導向傳輸媒體n同軸電纜n50 同軸電纜（細纜）n用于數字信號的傳輸，早期用于局域網中計算機的連接，現在已經被雙絞線所代替n75 同軸電纜（粗纜）n用于模擬信號的傳輸，目前應用在有線電視的居民小區(qū)中2.3.1 導向傳輸媒體n光纜n利用光導纖維（光纖）傳遞光脈沖來進

12、行通信。n有光脈沖表示1，無光脈沖表示0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） 包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖2.3.2 非導向傳輸媒體 n計算機無線傳輸使用微波這一頻段。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 調幅無線電 調頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010

13、 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動無線電 電信領域使用的電磁波的頻譜2.3.2 非導向傳輸媒體 n微波通信的兩種主要形式n地面微波接力通信n衛(wèi)星通信 地面微波接力通信n微波在空間主要是直線傳播。 n由于地球表面是曲面，采用100m高的天線塔，傳播距離大約為100kmn為實現遠距離通信，需要建立若干個中繼站衛(wèi)星通信n在地球站之間利用位于36000km高空的人造同步地球衛(wèi)星作為中繼器的一種微波通信n優(yōu)點：通信距離遠，覆蓋范圍大n缺點：傳播時延大，造價

14、貴地面站地球同步衛(wèi)星36000km端到端單程 270ms往返 540msVSAT(Very Small Aperture Terminal)甚小孔徑地球站n需要一個強大的中央站n小站天線直徑往往不超過1m，造價便宜n小站之間通信需要經過中央站存儲轉發(fā)地球同步衛(wèi)星VSAT中央站VSAT2.4 信道復用技術n頻分復用n時分復用、統計時分復用n波分復用n碼分復用共享信道n復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。 n好處：共享信道，充分利用信道帶寬信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用 不使用復用技術 使用復用技術2.4 信道復用技術頻分復用 FDM(Fr

15、equency Division Multiplexing) n不同的用戶占用不同的帶寬資源。（這里的“帶寬”指頻帶寬度，單位是Hz）頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5時分復用TDM(Time Division Multiplexing) n將時間劃分為一段段等長的周期，每一個用戶在一個周期中占用固定序號的時隙。n每一個用戶輪流交替地使用單一信道。時分復用TDM(Time Division Multiplexing) 頻率時間B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀n一個周期內所有用戶發(fā)送的比

16、特形成一個TDM幀時分復用TDM(Time Division Multiplexing) 頻率時間C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用TDM(Time Division Multiplexing) 頻率時間BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用TDM(Time Division Multiplexing) 頻率時間B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀T

17、DM 幀TDM 幀時分復用可能會造成線路資源的浪費 ABCDaabbcdb cattttt4 個時分復用幀#1acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發(fā)性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。 統計時分復用 STDM(Statistic TDM) 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統計時分復用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2

18、 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 波分復用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) n波分復用就是光的頻分復用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復用器分用器EDFA120 km光調制器光解調器2.4.3 碼分復用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。nCDMA在第二次世界大戰(zhàn)期間研究開發(fā)的，最初應用于軍事通信。n目前已經廣泛應用在民用移動

19、通信領域。2.4.3 碼分復用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n每個用戶在同樣的時間使用同樣的頻帶通信，而通信之間相互不干擾碼片序列(chip sequence) n每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。n每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列n如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。n發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011n發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的重要特點n特點1：每個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。n令S表示s站的碼片序列，令T表示t站的碼片序列。 n兩個不同站的碼片序列正交，就是碼片序列S和碼片序列T的規(guī)格化內積都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)碼片序列的正交關系舉例 n向量 S 為(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)n向量 T 為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可