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計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信物理層第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(shí)
2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型
2.2.2有關(guān)信道的幾個(gè)基本概念
2.2.3信道的極限容量
2.2.4信道的極限信息傳輸速率2.3物理層下面的傳輸媒體
2.3.1導(dǎo)向傳輸媒體
2.3.2非導(dǎo)向傳輸媒體第2章物理層(續(xù))2.4信道復(fù)用技術(shù)
2.4.1頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用
2.4.2波分復(fù)用
2.4.3碼分復(fù)用2.5局域異步通信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。過程特性指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。2.2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)
2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型
傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)輸入漢字顯示漢字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)幾個(gè)術(shù)語數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)送消息的實(shí)體。信號(hào)(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)?!澳M的”(analogous)——代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。“數(shù)字的”(digital)——代表消息的參數(shù)的取值是離散的。碼元(code)——在使用時(shí)間域(或簡(jiǎn)稱為時(shí)域)的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí),代表不同離散數(shù)值的基本波形。
2.2.2有關(guān)信號(hào)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(hào)和
帶通(bandpass)信號(hào)基帶信號(hào)(即基本頻帶信號(hào))——來自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)?;鶐盘?hào)往往包含有較多的低頻成分,甚至有直流成分,而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。帶通信號(hào)——把基帶信號(hào)經(jīng)過載波調(diào)制后,把信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸(即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道)。幾種最基本的調(diào)制方法基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分,甚至有直流成分,而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題,就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。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(hào)而變化。調(diào)頻(FM):載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)相(PM):載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。
對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相正交振幅調(diào)制QAM
(QuadratureAmplitudeModulation)
r(r,)可供選擇的相位有12種,而對(duì)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(duì)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(shí)別每一種狀態(tài)就越困難。舉例2.2.3信道的極限容量任何實(shí)際的信道都不是理想的,在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)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?hào)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。數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道有失真,但可識(shí)別失真大,無法識(shí)別實(shí)際的信道(帶寬受限、有噪聲、干擾和失真)發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道(帶寬受限、有噪聲、干擾和失真)接收信號(hào)波形信道能夠通過的頻率范圍1924年,奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下,為了避免碼間串?dāng)_,碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中,碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?,否則就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題,使接收端對(duì)碼元的判決(即識(shí)別)成為不可能。如果信道的頻帶越寬,也就是能夠通過的信號(hào)高頻分量越多,那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。(2)信噪比香農(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/s
W為信道的帶寬(以Hz為單位);S為信道內(nèi)所傳信號(hào)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。請(qǐng)注意對(duì)于頻帶寬度已確定的信道,如果信噪比不能再提高了,并且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值,那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。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(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動(dòng)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?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}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光纖和同軸電纜的比較光纖與同軸電纜相比有許多優(yōu)點(diǎn): 帶寬范圍大 傳輸距離遠(yuǎn),信號(hào)損失小,50km一個(gè)中繼器,5km一個(gè) 光纖不受電源、電磁干擾和空氣中腐蝕物質(zhì)的影響,也不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生電磁干擾。 光纖非常細(xì),對(duì)大規(guī)模鋪設(shè)非常有用。也有缺點(diǎn): 光纖抽頭拼接都比較困難 很難確定斷裂位置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
共享信道2.4信道復(fù)用技術(shù)
2.4.1頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用
復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a)不使用復(fù)用技術(shù)(b)使用復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)用FDM
(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在分配到一定的頻帶后,在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源(請(qǐng)注意,這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率)。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TDM
(TimeDivisionMultiplexing)時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀(TDM幀)。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)(其周期就是TDM幀的長(zhǎng)度)。TDM信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAAA在
TDM
幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間CDCDCDAAAABBBBCDB在
TDM
幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BDBDBDAAAABCCCCDC在
TDM
幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成
線路資源的浪費(fèi)ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí),由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì),用戶對(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用
STDM
(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用
1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分復(fù)用WDM
(WavelengthDivisionMultiplexing)
波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3碼分復(fù)用CDM
(CodeDivisionMultiplexing)
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(huì)造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)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)唯一的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:(2-3)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(2-3)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CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm
個(gè)碼片tS站發(fā)送的信號(hào)SxT站發(fā)送的信號(hào)Tx總的發(fā)送信號(hào)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2.5局域異步通信
2.5.1傳輸方式串行通信&并行通信并行通信發(fā)送端同時(shí)傳輸多位數(shù)據(jù)到接收端
特點(diǎn):并行通信傳輸數(shù)據(jù)速率高,距離近時(shí),一般采用并行通信串行通信將發(fā)送端的數(shù)據(jù)一位一位的按順序傳輸?shù)浇邮斩?/p>
特點(diǎn):可以傳輸較遠(yuǎn)距離
同步通信&異步通信數(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(zhǎng)的時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。
異步通信1異步通信2同步通信同步通信vs
異步通信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。同步通信:時(shí)鐘保持一致2.5.2RS-232傳輸類別介質(zhì)–銅線傳輸形式–電流編碼–負(fù)電壓表示比特1–正電壓表示比特0波形圖RS-232標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于–鍵盤、鼠標(biāo)與PC機(jī)的連接–調(diào)制解調(diào)等串口連接由EIA制定連線必須在50英尺內(nèi)電壓:+15—-15功能特性:1,0屬于串行異步傳輸?shù)奶攸c(diǎn)RS-232——異步通信發(fā)送方和接收方統(tǒng)一–每個(gè)字符用多少位表示–每一位的持續(xù)時(shí)間接收方–不知道何時(shí)接收–可能會(huì)一直等待為了確保通信–傳輸字符前的起始位–傳輸字符后的終止位RS-232空閑狀態(tài)——1起始位–0–不是數(shù)據(jù)的內(nèi)容終止位–1
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