第4講 物理層協(xié)議(2)

1、第第4講講 物理層協(xié)議（物理層協(xié)議（2） 本講主要內(nèi)容：本講主要內(nèi)容： 4.1 數(shù)據(jù)編碼技術 4.2 信道復用技術 4.3 差錯控制技術 4.4 物理層協(xié)議4.1 數(shù)據(jù)編碼技術模擬數(shù)據(jù)編碼模擬數(shù)據(jù)編碼振幅鍵控振幅鍵控ASK移頻鍵控移頻鍵控FSK移項鍵控移項鍵控PSK數(shù)字數(shù)據(jù)編碼數(shù)字數(shù)據(jù)編碼非歸零碼非歸零碼NRZ曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼數(shù)字數(shù)據(jù)編碼模擬數(shù)據(jù)數(shù)字編碼脈沖編碼調制脈沖編碼調制PCM1 . 數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬傳輸數(shù)字數(shù)據(jù)的模擬傳輸uAM:幅移鍵控 （Amplitude Shift Keying-ASK）uFM:頻移鍵控 （Frequency Shift Ke

2、ying-FSK）uPM:相移鍵控 （Phase Shift Keying-PSK）模擬數(shù)據(jù)編碼方法 載波u(t) u(t)=Umsin( t+) Um：振幅 ：角頻率 ：相位 用載波信號的振幅表示數(shù)字信號。 Umsin( t+) 數(shù)字1 U(t)= 0 數(shù)字0 實現(xiàn)容易，技術簡單，抗干擾能力差。振幅鍵控ASK調幅鍵控方式調幅鍵控方式調幅010011100基帶信號移頻鍵控FSK通過改變載波信號角頻率的方法表示數(shù)字信號。 Umsin(1 t+0) 數(shù)字1U(t) = Umsin(2 t+0) 數(shù)字0實現(xiàn)容易，技術簡單，抗干擾能力強，目前使用較多。頻移鍵控方式頻移鍵控方式010011100基帶信號

3、調幅調頻 改變載波信號的相位值表示數(shù)字信號。 Um sin( t+0) 數(shù)字1 U(t) = Um sin(t+) 數(shù)字0移項鍵控PSK相移鍵控方式相移鍵控方式010011100基帶信號調相2. 數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法數(shù)字數(shù)據(jù)編碼方法 不歸零制編碼（非歸零碼） 曼徹斯特編碼 差分曼徹斯特編碼(1) 非歸零碼非歸零碼NRZ (Non-Return-Zero) 用負電平表示邏輯用負電平表示邏輯0 0，用正電平表示邏輯，用正電平表示邏輯1 1。 整個碼元時間內(nèi)保持有效電平整個碼元時間內(nèi)保持有效電平缺點缺點：收發(fā)雙方不能同步。收發(fā)雙方不能同步。連續(xù)傳送連續(xù)傳送0 0或者或者1 1，那么在單位時間內(nèi)將產(chǎn)生累，

4、那么在單位時間內(nèi)將產(chǎn)生累積的支流分量，能使設備連接點產(chǎn)生電腐蝕或者積的支流分量，能使設備連接點產(chǎn)生電腐蝕或者損壞。損壞。必須必須在發(fā)送在發(fā)送NRZNRZ碼的同時，用另一個信道同時傳送碼的同時，用另一個信道同時傳送同步時鐘信號同步時鐘信號。(2)曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼 目前廣泛使用的一種編碼目前廣泛使用的一種編碼 每一比特的周期每一比特的周期T分為分為前前T/2與與后后T/2兩部分兩部分 前前T/2傳送該比特的傳送該比特的反碼反碼，后，后T/2傳送該比特的傳送該比特的原碼原碼優(yōu)點：優(yōu)點：在每一個比特的中間有一次電平的跳變，可在每一個比特的中間有一次電平的跳變，可以提取這個跳變作為收發(fā)雙方的同步

5、信號。不含直流以提取這個跳變作為收發(fā)雙方的同步信號。不含直流分量。分量。缺點：缺點：編碼效率較低。編碼效率較低。(3) 差分曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼 與曼徹斯特編碼的區(qū)別在于：與曼徹斯特編碼的區(qū)別在于： 每比特的中間跳變僅做同步之用每比特的中間跳變僅做同步之用。 每比特的值，根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來決每比特的值，根據(jù)其開始邊界是否發(fā)生跳變來決定。定。 每一比特的開始處每一比特的開始處出現(xiàn)電平跳變表示出現(xiàn)電平跳變表示“0”，不發(fā)，不發(fā)生跳變表示生跳變表示“1”。 優(yōu)缺點：優(yōu)缺點：差分曼徹斯特編碼需要較復雜的技術，差分曼徹斯特編碼需要較復雜的技術，但可以獲得較好的抗干擾性能。但可以獲得較好

6、的抗干擾性能。3. 脈沖編碼調制脈沖編碼調制PCM方法方法 是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。是模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化的主要方法。 由于數(shù)字信號傳輸由于數(shù)字信號傳輸失真小失真小，誤碼率低誤碼率低，數(shù)據(jù)傳輸速率高數(shù)據(jù)傳輸速率高，因此在網(wǎng)絡中傳輸?shù)?，因此在網(wǎng)絡中傳輸?shù)恼Z音、圖像信息都要經(jīng)過數(shù)字化處理后語音、圖像信息都要經(jīng)過數(shù)字化處理后傳送。傳送。 PCM技術的典型應用是語音數(shù)字化。技術的典型應用是語音數(shù)字化。語音信號需要在發(fā)送端通過語音信號需要在發(fā)送端通過PCM編碼器變換編碼器變換成數(shù)字化數(shù)據(jù)。成數(shù)字化數(shù)據(jù)。接收方再通過接收方再通過PCM解碼器還原成模擬信號。解碼器還原成模擬信號。PCM工作原理包括：采樣量化編

7、碼還原以一個具體的波形圖來解釋模擬信號數(shù)字化的過程。4.2 信道復用技術信道復用技術 頻分多路復用 時分多路復用 波分多路復用 碼分多路復用1.頻分多路復用頻分多路復用(Frequency Division Multiplexing, FDM） 將信道的可用頻帶（帶寬）按頻率分割多路信號的方法劃分為若干互不交疊的頻段，每路信號占據(jù)其中一個頻段，從而形成許多個子信道； 在接收端用適當?shù)臑V波器將多路信號分開，分別進行解調和終端處理，這種技術稱為頻分多路復用。未復用頻分復用頻分復用 頻率時間頻率 1頻率 2頻率 3頻率 4頻率 5頻分多路復用優(yōu)缺點頻分多路復用優(yōu)缺點 優(yōu)點：優(yōu)點： 信道利用率高，允許

8、服用的路數(shù)多，分路方便信道利用率高，允許服用的路數(shù)多，分路方便; 頻帶寬度越大，可容納用戶數(shù)越多。頻帶寬度越大，可容納用戶數(shù)越多。 缺點：缺點： 設備復雜，需要大量調制解調器等設備；設備復雜，需要大量調制解調器等設備； 由于傳輸過程中的失真及信號干擾易串音。由于傳輸過程中的失真及信號干擾易串音。 典型用途有線電視信號傳輸，典型用途有線電視信號傳輸，ADSL連接的信號傳連接的信號傳輸。輸。（time division multiplexing，TDM） 時分多路復用時分多路復用:是將多路信號按一定的時間間隔是將多路信號按一定的時間間隔相間傳送以在一條傳輸線上實現(xiàn)相間傳送以在一條傳輸線上實現(xiàn)“同時

9、同時”傳送傳送信號的技術。信號的技術。 將一條物理信道的傳輸時間分成若干個時間片將一條物理信道的傳輸時間分成若干個時間片輪流地給多個信號源使用，每個時間片被復用輪流地給多個信號源使用，每個時間片被復用的一路信號占用。的一路信號占用。 當有多路信號準備傳輸時，一個信道就能在不當有多路信號準備傳輸時，一個信道就能在不同的時間片傳輸多路信號同的時間片傳輸多路信號時分復用 頻率時間B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 頻率時間C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TD

10、M 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 頻率時間BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀時分復用 頻率時間B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 幀中的位置不變TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 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用戶統(tǒng)計時分復用 STDM 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統(tǒng)計時分復用FDM與TDM區(qū)別 TDM適用于數(shù)字信號，F(xiàn)DM適用

11、于模擬信號 TDM在時域上各路信號是分割開的，但在頻區(qū)域上是是混疊在一起的。 FDM在頻域上各路信號是分割開的，但在時域上各路信號是混疊在一起的。 TDM信號形成和分離可通過數(shù)字電路實現(xiàn)，比FDM信號使用調制解調和濾波器簡單。3. 波分多路復用波分多路復用(wave division multiplexing，WDM) 技術是頻率分割技術在光纖媒體中的應用，它主要用于全光纖網(wǎng)組成的通信系統(tǒng)中。 所謂波分多路復用是指在一跟光纖上能同時傳送多個波長不同的光載波的復用技術, 以提高單根光纖的傳輸能力。 也可以利用不同波長沿不同方向傳輸來實現(xiàn)單根光纖的雙向傳輸。3. 波分復用波分復用 WDM 波分復用

12、就是光的頻分復用。 F2F1F3F1F2F3共享光纖的光譜共享光纖的光譜光纖光纖2光纖光纖3光纖光纖1共享光纖共享光纖 采用無源設備，更可靠采用無源設備，更可靠棱柱棱柱/衍射光柵衍射光柵4.碼分復用碼分復用(code divison multiplexing,CDM) 常用的名詞是碼分多址常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 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。干擾。 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似

13、于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 每一個比特時間劃分為每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為個短的間隔，稱為碼片碼片(chip)。 碼片序列碼片序列(chip sequence) 每個站被指派一個惟一的 m bit 碼片序列。 如發(fā)送比特 1,則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。 如發(fā)送比特 0,則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。 例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。 發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011， 發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。 S 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) CDMA 的工作原理 S

14、站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內(nèi)積 S Sx規(guī)格化內(nèi)積 S Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端4.3 差錯控制技術差錯控制技術 奇偶校驗（垂直冗余校驗奇偶校驗（垂直冗余校驗VRC） 方塊校驗（水平重直冗余校驗方塊校驗（水平重直冗余校驗LRC） 循環(huán)冗余校驗循環(huán)冗余校驗CRC1. 奇偶校驗奇偶校驗（垂直冗余校驗（垂直冗余校驗VRC） 其信息字段以字符為單位，校驗字段僅含一個位（稱為校驗位）。 例如使用七位ASCII碼來構造成八位的檢錯碼時，若采用可奇（偶）校驗， 校驗位的取值應使整個參政字（包括校驗位）中為“

15、1”的位數(shù)為奇（偶）數(shù)。傳輸時，形成的校驗位附加在字符之后傳輸。 例如：信息字優(yōu) 奇校驗參政 偶校驗碼 0110001 01100010 011000112. 水平垂直奇水平垂直奇/偶校驗碼偶校驗碼 也稱方陣校驗，是在水平校驗的基礎上實施垂直校驗。 這種編碼可以檢測出除相互補償?shù)呐紨?shù)個錯（兩個字符的相同位同時出錯）以外的所有錯，并具有糾正一位錯的能力。 需要指出的是為保證最后一位的填充，水平垂直奇/偶校驗碼常采用偶校驗。 信息組 校驗位 0111001 0 0010101 1 0101011 0 1010101 0垂直偶校驗字符 1010010 1 水平奇偶校驗例子：字符ASCII水平奇校驗H

16、1 0 0 1 0 0 01a1 1 0 0 0 0 10m1 1 0 1 1 0 10g1 1 0 0 1 1 10n1 1 0 1 1 1 00c1 1 0 0 0 1 11o1 1 0 1 1 1 10垂直奇校驗 0 1 1 1 1 1 01CRC: 精確，常用的檢錯技術。對數(shù)據(jù)塊（幀）進行校驗。CRC已添加到網(wǎng)絡協(xié)議中，用硬件集成到網(wǎng)卡里。核心思想：模2除法。模2除法中加減不進位、借位。1-0=1 0-1=1 1-1=0 0-0=03.CRCCRC基本思想基本思想前提前提:發(fā)送方和接受方必須事先商定一個二進制數(shù)發(fā)送方和接受方必須事先商定一個二進制數(shù)G(x) (生成多項式生成多項式),發(fā)送端發(fā)送端:計算校驗和計算校驗和,將校驗和加在數(shù)據(jù)末尾將校驗和加在數(shù)據(jù)末尾,使這個帶使這個帶校驗和的數(shù)據(jù)能被校驗和的數(shù)據(jù)能被G(x)除盡除盡.接收端接收端:收到帶校驗和的數(shù)據(jù)后收到帶校驗和的數(shù)據(jù)后,用用G(x)去除它去除它,如果有如果有余數(shù)余數(shù),則傳輸出錯則傳輸出錯實現(xiàn)實現(xiàn):用簡單的硬件用簡單的硬件(移位寄存器電路移位寄存器電路)即可即可數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)=1101011011G(x) (生成多項式生成多項式)=10011循環(huán)冗余碼循環(huán)冗余碼(CRC)例子：例子：傳輸碼元傳輸碼元=數(shù)據(jù)（移位后）數(shù)據(jù)（移位后）+余數(shù)余數(shù) 1101011011111011