數(shù)據通信CH2 物理層課件

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(shù)據通信的基礎知識2.3物理層下面的傳輸媒體2.4信道復用技術2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術2.1物理層的基本概念任務：透明地傳輸比特流。物理層考慮的是如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸比特流，而不是指連接計算機的具體的物理設備或具體的傳輸媒體。物理層要屏蔽各種物理設備、傳輸媒體和各種通信方式間的差異。第2章物理層2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據通信的基礎知識2.3物理層下面的傳輸媒體2.4信道復用技術2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術2.2數(shù)據通信的基礎知識傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)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(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數(shù)據通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機2.2.1數(shù)據通信系統(tǒng)的模型數(shù)據通信系統(tǒng)組成

2.2.2有關信號的幾個基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個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，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息?；鶐?baseband)信號和

帶通(bandpass)信號基帶信號（即基本頻帶信號）——來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據信號都屬于基帶信號?；鶐盘柾休^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。因此必須對基帶信號進行調制(modulation)。帶通信號——把基帶信號經過載波調制后，把信號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能夠通過信道）。幾種最基本的調制方法基帶信號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，就必須對基帶信號進行調制(modulation)。最基本的二元制調制方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。

正交振幅調制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個點中的每個點可對應于一種4bit的編碼。若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。舉例2.2.3信道的極限容量任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產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，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。數(shù)字信號通過實際的信道有失真，但可識別失真大，無法識別實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形(2)信噪比香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

香農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現(xiàn)無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當然實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。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。請注意對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)星地面微波調幅無線電調頻無線電海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜2.3.1導向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

雙絞線可用于模擬傳輸或數(shù)字傳輸。優(yōu)點是廉價、使用方便。但數(shù)據率和傳輸距離有限。對長距離傳輸，模擬信號要加放大器，數(shù)字信號要加中繼器。標準為EIA/TIA-568-A。2.3.1導向傳輸媒體同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜同軸粗纜的配件同軸粗纜的BNC接頭同軸粗纜同軸粗纜的配件同軸粗纜的收發(fā)器同軸粗纜的終端電阻同軸細纜外觀和內部結構同軸細纜2.3.1導向傳輸媒體光纜目前，光纖主要應用在大型的局域網中用作主干線路，2.3.2非導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

第2章物理層2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據通信的基礎知識2.3物理層下面的傳輸媒體2.4信道復用技術2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術共享信道2.4信道復用技術信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術2.4.1頻分復用時分復用和統(tǒng)計時分復用時分復用可能會造成

線路資源的浪費ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據時，由于計算機數(shù)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(tǒng)計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分復用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調制器光解調器2.4.3碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經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)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

第2章物理層2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據通信的基礎知識2.3物理層下面的傳輸媒體2.4信道復用技術2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)

1.脈碼調制PCM體制

脈碼調制PCM體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。由于歷史上的原因，PCM有兩個互不兼容的國際標準，即北美的24路PCM（簡稱為T1）和歐洲的30路PCM（簡稱為E1）。我國采用的是歐洲的E1標準。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。當需要有更高的數(shù)據率時，可采用復用的方法。2.同步光纖網SONET和

同步數(shù)字系列SDH舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：速率標準不統(tǒng)一。如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數(shù)據傳輸就很難實現(xiàn)。

不是同步傳輸。在過去相當長的時間，為了節(jié)約經費，各國的數(shù)字網主要是采用準同步方式。

同步光纖網SONET同步光纖網SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。第1級同步傳送信號STS-1(SynchronousTransportSignal)的傳輸速率是51.84Mb/s。光信號則稱為第1級光載波OC-1，OC表示OpticalCarrier。

同步數(shù)字系列SDH

ITU-T以美國標準SONET為基礎，制訂出國際標準同步數(shù)字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可認為SDH與SONET是同義詞。SDH的基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級同步傳遞模塊(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相當于SONET體系中的OC-3速率。線路速率(Mb/s)SONET符號ITU-T符號表示線路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120

OC-768/STS-768

STM-256

40Gb/s

SONET的OC級/STS級與SDH的STM級的對應關系SONET的體系結構光子層路徑層線路層段層線路(line)光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復用器或分用器復用器或分用器轉發(fā)器轉發(fā)器段段段路徑(path)(section)(section)(section)SONET標準定義了

四個光接口層光子層(PhotonicLayer)處理跨越光纜的比特傳送。段層(SectionLayer)在光纜上傳送STS-N幀。線路層(LineLayer)負責路徑層的同步和復用。路徑層(PathLayer)處理路徑端接設備PTE(PathTerminatingElement)之間的業(yè)務的傳輸。

第2章物理層2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據通信的基礎知識2.3物理層下面的傳輸媒體2.4信道復用技術2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術2.6寬帶接入技術

2.6.1xDSL技術xDSL技術就是用數(shù)字技術對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務。雖然標準模擬電話信號的頻帶被限制在300~3400kHz的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過1MHz。xDSL技術就把0~4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。DSL就是數(shù)字用戶線(DigitalSubscriberLine)的縮寫。而DSL的前綴x則表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案。xDSL的幾種類型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非對稱數(shù)字用戶線HDSL(HighspeedDSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL(Single-lineDSL)：1對線的數(shù)字用戶線VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速數(shù)字用戶線DSL：ISDN用戶線。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自適應DSL，是ADSL的一個子集，可自動調節(jié)線路速率）。ADSL的極限傳輸距離ADSL的極限傳輸距離與數(shù)據率以及用戶線的線徑都有很大的關系（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。例如，0.5毫米線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時可傳送5.5公里，但當傳輸速率提高到6.1Mb/s時，傳輸距離就縮短為3.7公里。如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里ADSL的特點上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調制解調器。我國目前采用的方案是離散多音調DMT(DiscreteMulti-Tone)調制技術。這里的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT技術DMT調制技術采用頻分復用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。每個子信道占據4kHz帶寬（嚴格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不同的音調）進行數(shù)字調制。這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調制解調器并行地傳送數(shù)據。DMT技術的頻譜分布…頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道…(kHz)~40~138~1100ADSL的數(shù)據率由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此ADSL采用自適應調制技術使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據率。當ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL調制解調器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質量。ADSL不能保證固定的數(shù)據率。對于質量很差的用戶線甚至無法開通ADSL。通常下行數(shù)據率在32kb/s到6.4Mb/s之間，而上行數(shù)據率在32kb/s到640kb/s之間。ADSL的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線電話分離器區(qū)域寬帶網至ISP居民家庭基于ADSL的接入網端局或遠端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接單元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表遠端Remote）電話分離器PS(POTSSplitter)

第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）

ADSL2+（G.992.5）通過提高調制效率得到了更高的數(shù)據率。例如，ADSL2要求至少應支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+則將頻譜范圍從1.1MHz擴展至2.2MHz，下行速率可達16Mb/s（最大傳輸速率可達25Mb/s），而上行速率可達800kb/s。采用了無縫速率自適應技術SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在運營中不中斷通信和不產生誤碼的情況下，自適應地調整數(shù)據率。改善了線路質量評測和故障定位功能，這對提高網絡的運行維護水平具有非常重要的意義。2.6.2光纖同軸混合網

HFC(HybridFiberCoax)HFC網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網CATV的基礎上開發(fā)的一種居民寬帶接入網。HFC網除可傳送CATV外，還提供電話、數(shù)據和其他寬帶交互型業(yè)務?，F(xiàn)有的CATV網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它采用模擬技術的頻分復用對電視節(jié)目進行單向傳輸。而HFC網則需要對CATV網進行改造，HFC的主要特點(1)HFC網的主干線路采用光纖HFC網將原CATV網中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術。在模擬光纖中采用光的振幅調制AM，這比使用數(shù)字光纖更為經濟。模擬光纖從頭端連接到光纖結點(fibernode)，即光分配結點ODN(OpticalDistributionNode)。在光纖結點光信號被轉換為電信號。在光纖結點以下就是同軸電纜。(2)HFC網采用結點體系結構同軸電纜頭端模擬光纖放大器引入線分路器光纖結點服務區(qū)服務區(qū)服務區(qū)(3)HFC網具有比CATV網更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能下行信道上行信道5