第3章物理层.ppt

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1、第3章 物 理 层,3.1 物理层的基本概念,用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。 可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：,（1）机械特性。 （2）电气特性。 （3）功能特性。 （4）规程特性。,在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是，有时也可以采用多个比特的并行传输方式。,3.2 数据通信的基础知识,3.2.1 数据通信系统的模型 两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。,如图3-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收

2、端)。,图3-1 数据通信系统的模型,源系统一般包括以下两个部分： （1）源站。 （2）发送器。 目的系统一般包括以下两个部分： （1）接收器。 （2）目的站。,数据(data)是运送信息的实体，而信号(signal)则是数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可以是模拟的或数字的。所谓“模拟的”就是连续变化的，而“数字的”就表示取值是离散的。,因此，数字数据(digital data)就是用不连续形式表示的数据。 将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制。,一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况： （1）模拟数据、模拟信号。 （2）模拟数据、数字

3、信号。 （3）数字数据、模拟信号。 （4）数字数据、数字信号。,图3-2给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图。,图3-2 模拟数据、模拟信号、数字数据和数字信号,3.2.2 有关信道的几个基本概念 从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。,（1）单向通信： 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。,（2）双向交替通信： 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。,（3）双向同时通信： 又称为全双工通信，即通

4、信的双方可以同时发送和接收信息。 有时也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。,信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。但应注意，数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，模拟信号在经过模数变换后也可在数字信道上传送。,信道上传送的信号还有基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号之分。,3.2.3 信道上的最高码元传输速率 图3-3给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形。,图3-3 数字信号通过实际的信道,奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式： 理想低通信道的最高码元传输速率 =

5、2W Baud (3-1),这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)； Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。,式(3-1)就是著名的奈氏准则。奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。,对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W)，奈氏准则就变为： 理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud (3-2),即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。 强调以下两点： （1）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。,（2）波特是码元传输的速率单位，它说明每秒传多少个码元。码

6、元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位，与码元的传输速率“波特”是两个完全不同的概念。,3.2.4 信道的极限信息传输速率 信道的极限信息传输速率C可表达为 C = W log2(1+S/N)bit/s (3-3),其中：W为信道的带宽(以Hz为单位)； S为信道内所传信号的平均功率； N为信道内部的高斯噪声功率。,式(3-3)就是著名的香农公式。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。,由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多进制)的

7、调制方法。 图3-4说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围。,图3-4 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围,3.3 物理层下面的传输媒体,传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。,在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。图3-5是电信领域使用的电磁波的频谱。,图3-5 电信领域使用的电磁波的频谱,3.3.1 导向传输媒体 1双绞线 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规

8、则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。,从用户电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。 图3-6是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。,(a) 无屏蔽双绞线 (b) 屏蔽双绞线,图3-6 无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图,2同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成(图3-7)。,图3-7 同轴电缆的结构,通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类： （1）50 同轴电缆 50 同轴电缆又称为基带同轴电缆。,在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。图3

9、-8画的是未经编码的原基带数字信号和在计算机网络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。,图3-8 曼彻斯特编码,（2）75 同轴电缆 75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆。 在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。,双电缆系统的示意图如图3-9(a)所示。头端(headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上收到发送给它们的信息。 图3-9(b)为单电缆系统。,图3-9 宽带网络,3光缆 光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细

10、，其直径只有8 100 m。,正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角(如图3-10所示)。,图3-10 光线在光纤中的折射,图3-11画出了光波在纤芯中传播的示意图。,图3-11 光波在纤芯中的传播,只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤(如图3-12(a)所示)。,若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤就称为单模光纤(图3-12

11、(b)。,图3-12 多模光纤和单模光纤的比较,图3-13 四芯光缆剖面的示意图,图3-13为四芯光缆剖面的示意图。,光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点： （1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。,（2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。 （3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。 （4）体积小，重量轻。,当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。,T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。 有源的T形接头实际上就是一个有源转发器(如图3

12、-14所示)。,图3-14 使用有源转发器的光纤环路,3.3.2 非导向传输媒体 1无线传输 2地面微波接力通信 其主要特点是：微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；,因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高；与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。,微波接力通信缺点：相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真；,微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响；与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差；

13、对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。,3卫星通信 卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。 卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。,图3-15 无线局域网使用的ISM频段,3.4 模拟传输与数字传输,3.4.1 模拟传输系统 3.4.2 调制解调器 1调制解调器的作用 图3-16表示了出现一个误码的示意图。,图3-16 基带信号经电话线路传输后产生误码,若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。 调制解调器(modem)就是由调制器(MOdulator)和解调器(DEModulator)这两个字各取其字头合并而成的。 调制器的主要作用就是个波形变换器，解调器

14、的作用就是个波形识别器。,2几种最基本的调制方法 所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。,最基本的二元制调制方法有以下几种(如图3-17所示)： （1）调幅(AM （2）调频(FM) （3）调相(PM),图3-17 对基带数字信号的几种调制方法,上述的对数字信号的调频和调相，分别称为移频键控FSK (Frequency Shift Keying)和移相键控PSK (Phase Shift Keying)。而对移相键控还可再分为绝对移相键控和相对移相键控(DPSK)。,图3-18画的是一种正交调制QAM (Quadrat

15、ure Amplitude Modulation)的星座图。 若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多)，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,图3-18 可得到1码元表示4 bit的正交幅度调制的星座图,3调制解调器使用异步通信方式 数据通信可分为同步通信和异步通信两大类。,同步通信就是要求接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等(这常称为收发双方的时钟是同步的)，以便使接收端对收到的比特流的采样判决的时间是精确的。,当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度的一半时(本来判决点应当处于每一个码元的中间)，就要产生差错(比特重读或漏读)，这就是所谓的滑动(slip)。,

16、准同步方式是各有关信号使用一些独立的、具有相同的频率标称值的时钟源，但这些频率的实际数值允许有微小的误差(在容许范围之内)。,异步通信则采用另一种方法。这就是在发送端将欲发送的数据以字节(8个比特)为单位进行逐个字节的封装。,异步通信是通过增加通信开销(每发送10个比特就有两个比特的额外开销，因而数据的有效传输速率就降低了)使接收端能够使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。,3.4.3 数字传输系统 为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。,标准的电话信号的最高

17、频率为3.4 kHz，为方便起见，采样频率就定为8 kHz，相当于采样周期为125 s。图3-19表示了上述的概念。,图3-19 PCM的基本原理,(a) 模拟电话信号 (b) 采样后的脉冲信号 (c) 编码后的数字信号 (d) 解码后的脉冲信号 (e) 还原后的模拟电话信号,图3-20在2.048 Mbit/s的传输线路两端同步旋转的开关(这只是为阐述原理用的示意图)，表示32个时隙中的比特的发送和接收必须和时隙的编号相对应，不能弄乱。,图3-20 E1的时分复用帧,表3-2给出了欧洲和北美系统的高次群的话路数和数据率。,表3-2 数字传输系统的高次群的话路数和数据率,3.5 信道复用技术,

18、3.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 频分复用和时分复用的特点分别如图3-21(a)和(b)所示。,频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,图3-21 频分复用和时分复用,在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。,当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。,当用户在某一段时间暂时无数据传输时(例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息

19、)，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。图3-22说明了这一概念。,图3-22 时分复用可能会造成线路资源的浪费,统计时分复用STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。图3-23是统计时分复用的原理图。,统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。从平均的角度来看，这两者是平衡的。,图3-23 统计时分复用的工作原理,3.5.2 波分复用 图3-24表示8路传输速率均为2.5 Gbit/s的光载波(其波长均为1310 nm)，

20、经光的调制后，分别将波长变换到1550 1557 nm，每个光载波相隔1 nm (这里只是为了说明问题的方便，实际上光载波的间隔一般是0.8或1.6 nm)。,图3-24 波分复用的概念,3.5.3 码分复用 码分复用CDM (Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。,由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似

21、于白噪声，不易被敌人发现。 在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。,3.6 同步光纤网SONET和同步 数字系列SDH,数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个。 （1）速率标准不统一 （2）不是同步传输,为了解决上述问题，美国首先在1988年推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET (Synchronous Optical Network)。 表3-3为SONET和SDH的比较。,表3-3 SONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系,续表,SONET标准定义了四个光接口层。SONET的层次自下而上如图3-26所示。 光子层(P

22、hotonic Layer) 数字段层(Section Layer) 线路层(Line Layer) 路径层(Path Layer),图3-26 SONET的体系结构,3.7 EIA-232-E接口标准,EIA-232-E是美国电子工业协会EIA制定的著名物理层标准。 EIA-232是DTE与DCE之间的接口标准。,DTE (Data Terminal Equipment)是数据终端设备。数据电路端接设备DCE (Data Circuit-terminating Equipment)。DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。DTE

23、通过DCE与通信传输线路相连，如图3-27所示。,图3-27 DTE通过DCE与通信传输线路相连,3.8 宽带接入技术,xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。,DSL就是数字用户线 (Digital Subscriber Line) 的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。,ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 是非对称数字用户线 W-ADSL，HDSL (High speed DSL) 是高速数字用户线，SDSL (Single-line DSL) 是1对线的数字用户线，VDSL

24、(Very high speed DSL) 是甚高速数字用户线。,表3-4 xDSL的几种类型,ADSL在现成的用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调DMT (Discrete Multi-Tone) 调制技术。,图3-28 DMT技术的频谱分布,基于ADSL的接入网由以下3大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM (DSL Access Multiplexer)，用户线和居民家庭中的一些设施，如图3-29所示。,图3-29 基于ADSL的接入网的组成,数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器。ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU (Ac

25、cess Termination Unit)。,在电话端局（或远端站）和居民家中所用的ADSL调制解调器分别记为ATU-C（C代表端局Central Office）和ATU-R（R代表远端Remote）。用户电话通过电话分路器PS (POTS Splitter) 和ATU-R连在一起，经用户线到端局，并再次经过一个电话分路器PS把电话连到本地电话交换机。,ADSL中的“D（数字）”应理解为“使用数字技术”。ADSL的用户线上传送的仍然是模拟信号而不是数字信号。,3.8.2 光纤同轴混合网（HFC网） 一种叫做光纤同轴混合网（HFC网），是在1988年被提出。HFC是Hybrid Fiber C

26、oax的缩写。HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。,HFC网则需要对CATV网进行改造，其主要特点有如下几个方面。 （1）HFC网的主干线路采用光纤 HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术， 模拟光纤从头端连接到光纤结点 (fiber node)，它又称为光分配结点ODN (Optical Distribution Node)。,图3-30 HFC网的结构图,（2）HFC网采用结点体系结构 HFC引入了结点体系结构 (node architecture

27、) 的概念。一个光纤结点下的所有用户组成了一个用户群 (cluster)，或称为邻区 (neighborhood area)。,采用结点体系结构的好处首先是能够提高网络的可靠性。 结点体系结构的另一个优点是简化了上行信道的设计。,（3）HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能,图3-31 HFC网频谱划分举例,（4）每个家庭要安装一个用户接口盒 用户接口盒UIB (User Interface Box) 要提供以下3种连接。, 使用同轴电缆连接到机顶盒 (set-top box)，然后再连接到用户的电视机。 使用双绞线连接到用户的电话机。 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

28、电缆调制解调器 (cable modem) 是为HFC网而使用的调制解调器。,HFC网的最大优点是它具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。,3.8.3 FTTx技术 除了上述的xDSL和HFC技术外，FTTx（即光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里，字母x可代表不同的意思。,光纤到户FTTH (Fiber To The Home)，即将光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。,当一幢大楼有较多用户需要使用宽带业务时，可采用光纤到大楼FTTB (Fiber To The Building) 方案。现在比较流行的是光纤到路边FTTC (Fiber To The Curb)。,FTTx还有许多其他种类，如光纤到办公室FTTO (Office)，光纤到邻区FTTN (Neighbor)，光纤到门户FTTD (Door)，光纤到楼层FTTF (Floor)，光纤到小区FTTZ (Zone)等。,