资源描述
,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 2 章 物理层,第 2 章,物理层,2.1 物理层的基本概念,2.2 数据通信的基础学问,2.3 物理层下面的传输媒体,2.4 信道复用技术,2.5 数字传输系统,2.6 宽带接入技术,2.1,物理层的基本概念,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：,机械特性 指明接口所用接线器的形态和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。,电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。,2.1 物理层的基本概念,功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。,过程特性 指明对于不同功能的各种可能事务的出现依次。,物理层任务举例,EIA-232-D接口用来将MODEM与计算机主机相联,共计25个引脚,有规定的尺寸.,25针的电压范围-12+12v,-12v表示1,+12v表示0,RTS变高,CTS允许发送,TD引脚发送.,2.2 数据通信的基础学问,传输,系统,输入信息,输入数据,发送,的信号,接收,的信号,输出数据,源点,终点,发送器,接收器,调制解调器,PC 机,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入,汉字,显示,汉字,数据通信系统,源系统,目的系统,传输系统,输出信息,PC 机,几个术语,数据(data)运输消息的实体。,信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。,模拟信号代表消息的参数的取值是连续的。,数字信号代表消息的参数的取值是离散的。,码元(code)在运用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。,几个术语,单向通信,（单工通信）只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。,双向交替通信,（半双工通信）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)。,双向同时通信,（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。,几个术语,基带信号,（即基本频带信号）来自信源的信号。,带通信号,把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。,几个术语,最基本的带通调制方法有以下几种：,调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变更。,调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变更。,调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变更。,信道的极限容量,信道的极限信息传输速率,C,可表达为,C,=,W,log,2,(1+,S,/,N,) b/s,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。,2.3 物理层下面的传输媒体,传输媒体:指数据通信的物理线路。,传输媒体分为两类：,导向传输媒体,非导向传输媒体,2.3 物理层下面的传输媒体,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅,无线电,调频,无线电,海事,无线电,光纤,电视,(Hz),f,(Hz),f,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,10,13,10,14,10,15,10,16,10,0,10,2,10,4,10,6,10,8,10,10,10,12,10,14,10,16,10,18,10,20,10,22,10,24,移动,无线电,电信领域运用的电磁波的频谱,2.3.1 导向传输媒体,双绞线,同轴电缆,光缆,双绞线,把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。,双绞线分类：,无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) :3类和5类,屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair),铜线,铜线,聚氯乙烯 套层,聚氯乙烯,套层,屏蔽层,绝缘层,绝缘层,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,同轴电缆,同轴电缆：主要用于有线电视网的居民小区。,外导体屏蔽层,绝缘层,绝缘保护套层,内导体,同轴电缆,光纤,折射角,入射角,包层,（低折射率的媒体）,包层,（低折射率的媒体）,纤芯,（高折射率的媒体）,包层,纤芯,光线在光纤中的折射,光纤的工作原理,高折射率,(纤芯),低折射率,(包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,输入脉冲,输出脉冲,单模光纤,多模光纤与单模光纤,输入脉冲,输出脉冲,多模光纤,2.3.2 非导向传输媒体,无线传输所运用的频段很广。,短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。,微波在空间主要是直线传播。,地面微波接力通信,卫星通信,共享信道,2.4 信道复用技术,2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,复用,(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,信道,信道,A,1,A,2,B,1,B,2,C,1,C,2,复用,/,分用,分用,/,复用,(a) 不运用复用技术,(b) 运用复用技术,频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing),频分复用的全部用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请留意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,频率,时间,频率 1,频率 2,频率 3,频率 4,频率 5,时分复用TDM(Time Division Multiplexing),时分复用,则是将时间划分为一段段等长的,时分复用帧,（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。,每一个用户所占用的时隙是,周期性地出现,（其周期就是 TDM 帧的长度）。,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,A,A,A,A,A 在,TDM,帧中,的位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,时分复用,频率,时间,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,B,B,B,B,C,D,B 在,TDM,帧中,的位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,时分复用,频率,时间,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,C,C,C,C,D,C 在,TDM,帧中,的位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,时分复用,频率,时间,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,D,D,D,D,D 在 TDM 帧中,的位置不变,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,TDM 帧,时分复用的缺点,运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，用户对安排到的子信道的利用率一般是不高的。可能会造成线路资源的奢侈。,时分复用的缺点,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,统计时分复用,STDM(Statistic TDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,1550 nm 0,1551 nm 1,1552 nm 2,1553 nm 3,1554 nm 4,1555 nm 5,1556 nm 6,1557 nm 7,0 1550 nm,1 1551 nm,2 1552 nm,3 1553 nm,4 1554 nm,5 1555 nm,6 1556 nm,7 1557 nm,2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing),波分复用就是光的频分复用。,8,2.5 Gb/s,1310 nm,20 Gb/s,复,用,器,分,用,器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing),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运用同样的频带进行通信,各用户运用经过特殊选择的不同码型，因此彼此不会造成干扰。,CDMA 的重要特点,每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。,每个站安排的码片序列不仅必需各不相同，并且还必需相互正交(orthogonal)。,码片序列(chip sequence),每个站被指派一个唯一的,m,bit 码片序列。,如发送比特 1，则发送自己的,m,bit 码片序列。,如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。,例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。,发送比特 1 时，就发送序列 00011011，,发送比特 0 时，就发送序列 11100100。,S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),CDMA 的重要特点,每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。,每个站安排的码片序列不仅必需各不相同，并且还必需相互正交(orthogonal)。,码片序列的正交关系,令向量,S,表示站 S 的码片向量，令,T,表示其他任何站的码片向量。,两个不同站的码片序列正交，就是向量,S,和,T,的规格化内积(inner product)都是 0：,(2-3),码片序列的正交关系举例,令向量 S 为(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1)，向量 T 为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。,把向量 S 和 T 的各重量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。,一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,正交关系的另一个重要特性,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列,S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m,个码片,t,S 站发送的信号,S,x,T 站发送的信号,T,x,总的发送信号,S,x,+,T,x,规格化内积,S,S,x,规格化内积,S,T,x,数据码元比特,发,送,端,接,收,端,2.5 数字传输系统,1. 脉码调制 PCM 体制,脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话(TDM)。,采样,量化,编码,PCM用于数字语音系统,声音分为128个量化级；,每个量化级接受7位二进制编码表示；,采样速率为8000样本/秒；,数据传输速率应达到7位8000/秒=56Kbps；,假如每个量化级接受7+1=8位二进制编码表示;,数据传输速率应达到8位8000 /秒= 64Kbps。,E1和T1,为了提高线路的运用率，往往接受TDM。,由于历史上的缘由，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国接受的是欧洲的 E1 标准。,E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。,当须要有更高的数据率时，可接受复用的方法。,数字传输系统的高次群的话路数和数据率,系,统,类,型,一,次,群,二,次,群,三,次,群,四,次,群,五,次,群,符号,E1,E2,E3,E4,E5,欧洲体制,话路数,30,120,480,1920,7680,数据率,(Mbit/s),2.048,8.448,34.368,139.264,565.148,符号,T1,T2,T3,T4,北美体制,话路数,24,96,672,4032,数据率,(Mbit/s),1.544,6.312,44.736,274.176,2. 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH,旧的数字传输系统存在着很多缺点。,速率标准不统一。,假如不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。,不是同步传输。,在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是接受准同步方式。,同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network),SONET (美国标准)的各级时钟都来自一个特别精确的主时钟。,第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。,光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。,同步数字系列,SDH,(Synchronous Digital Hierarchy),ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准,同步数字系列,SDH 。,一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。,SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第,1,级,同步传递模块,(Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。,2.6 宽带接入技术,2.6.1 xDSL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。,虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 kHz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍旧超过 1 MHz。,xDSL技术,xDSL 技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话运用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网运用。,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。,xDSL 的几种类型,ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线,HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线,SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线,VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线,DSL ：ISDN 用户线。,RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调整线路速率）。,ADSL 的特点,上行和下行带宽做成不对称的。,上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。,ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。,我国目前接受的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。,DMT 技术,DMT 调制技术接受频分复用的方法，把 40 kHz 以上始终到 1.1 MHz 的高端频谱划分为很多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。,每个子信道占据 4 kHz 带宽，并运用不同的载波进行数字调制。,DMT 技术的频谱分布,频谱,频率,上行信道,传统电话,0,4,下行信道,(kHz),40,138,1100,ADSL 的数据率,由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 接受自适应调制技术运用户线能够传送尽可能高的数据率。,ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。,通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间，而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。,ADSL 的组成,ATU-C,ATU-C,ATU-R,ATU-C,用户线,电话,分别器,区域宽带网,至 ISP,居民家庭,基于 ADSL 的接入网,端局或远端站,DSLAM,至本地电话局,PS,PS,数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer),接入端接单元 ATU (Access Termination Unit),ATU-C（C 代表端局 Central Office）,ATU-R（R 代表远端 Remote）,电话分别器 PS (POTS Splitter),其次代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）,通过提高调制效率得到了,更高的数据率,。例如，ADSL2 要求至少应支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 则将频谱范围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz，下行速率可达 16 Mb/s（最大传输速率可达25 Mb/s），而上行速率可达 800 kb/s。,2.6.2 光纤同轴混合网,HFC (Hybrid Fiber Coax),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，还供应电话、数据和其他宽带交互型业务。,现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它接受模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则须要对 CATV 网进行改造，,HFC 的主要特点,(1) HFC网的主干线路接受光纤,HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并运用模拟光纤技术。,模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光安排结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。,(2) HFC 网接受结点体系结构,同轴电缆,头端,模拟光纤,放大器,引入线,分路器,光纤结点,服务区,服务区,服务区,(3) HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能,下行信道,上行,信道,5 40 50 550 750 1000,原有模拟电视,数字信号,频率(MHz),保留,(4) 每个家庭要安装一个用户接口盒,用户接口盒 UIB (User Interface Box)要供应三种连接，即：,运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。,运用双绞线连接到用户的电话机。,运用电缆调制解调器连接到用户的计算机。,电缆调制解调器(cable modem),电缆调制解调器是为 HFC 网而运用的调制解调器。,电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间，最高可达 30 Mb/s，而上行速率一般为 0.22 Mb/s，最高可达 10 Mb/s。,必需解决上行通道可能出现的冲突问题。,HFC 网,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。,要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网，也须要相当的资金和时间。,2.6.3 FTTx 技术,FTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。,光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤始终铺设到用户家庭可能是居民接入网最终的解决方法。,光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线安排到各用户。,光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可运用星形结构双绞线作为传输媒体。,课后作业,习题：2-04,2-05,2-14,2-17,学习分组嗅探器Wireshark的运用,
展开阅读全文