CH02 物理層.ppt

1、課件制作人：洪景新,1,計算機(jī)網(wǎng)絡(luò),第 2 章 物理層,課件制作人：洪景新,2,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 2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 2.2.2 有關(guān)信道的幾個基本概念 2.2.3 信道的最高碼元傳輸速率 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,課件制作人：洪景新,3,第 2 章 物理層（續(xù)）,2.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸 2.4.1 模擬傳輸系統(tǒng) *2.4.2 調(diào)制解調(diào)器 *2.4.3 數(shù)字傳輸系統(tǒng) *2.5 信道復(fù)用技術(shù) 2.5.1 頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計

2、時分復(fù)用 2.5.2 波分復(fù)用 2.5.3 碼分復(fù)用 *2.6 同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH 2.7 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例 2.7.1 EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn) 2.7.2 RS-449接口標(biāo)準(zhǔn),課件制作人：洪景新,4,2.1 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。 規(guī)程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。,課件制作人：洪景新,5,2.2 數(shù)據(jù)通信

3、的基礎(chǔ)知識2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,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,模擬信號,正文,正文,PC 機(jī),課件制作人：洪景新,6,幾個術(shù)語,數(shù)據(jù)(data)運送信息的實體。 信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 “模擬的”(analogous)連續(xù)變化的。 “數(shù)字的”(digital)取值是離散數(shù)值。 調(diào)制把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程。 解調(diào)把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程。,課件制作人：洪景新,7,模擬的和數(shù)字的數(shù)據(jù)、信號,課件制作人：洪景新,8,2.2.2 有關(guān)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

4、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(dāng)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。,課件制作人：洪景新,9,基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號,基帶信號就是將數(shù)字信號 1 或 0 直接用兩種不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。 寬帶信號則是將基帶信號進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號。,課件制作人：洪景新,10,2.2.3 信道的最高碼元傳輸速率,任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形

5、的失真就越嚴(yán)重。,課件制作人：洪景新,11,數(shù)字信號通過實際的信道,失真不嚴(yán)重 失真嚴(yán)重,實際的信道 （帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）,輸入信號波形,輸出信號波形 (失真不嚴(yán)重),課件制作人：洪景新,12,奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則,每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒 2 個碼元。 Baud 是波特，是碼元傳輸速率的單位，1 波特為每秒傳送 1 個碼元。,理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud,W 是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz),不能通過,能通過,0,頻率(Hz),W (Hz),課件制作人：洪景新,13,另一種形式的奈氏準(zhǔn)則,每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸

6、速率是每秒 1 個碼元。,理想帶通特性信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud,W 是理想帶通信道的帶寬，單位為赫(Hz),不能通過,能通過,0,頻率(Hz),W (Hz),不能通過,課件制作人：洪景新,14,要強(qiáng)調(diào)以下兩點,實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。 波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。 波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。 比特是信息量的單位。,課件制作人：洪景新,15,要注意,信息的傳輸速率“比特/秒”與碼元的傳輸速率“波特”在數(shù)量上卻有一定的關(guān)系。 若 1 個碼元只攜帶 1

7、 bit 的信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。 若 1 個碼元攜帶 n bit 的信息量，則 M Baud 的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為 M n b/s。,課件制作人：洪景新,16,2.2.4 信道的極限信息傳輸速率,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 = W log2(1+S/N) b/s W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）； S 為信道內(nèi)所傳信號的平均功率； N 為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。,課件制作人：洪景新,17,香農(nóng)公式表明,信道的帶寬或信道中的信噪比

8、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(dāng)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(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。,課件制作人：洪景新,18,奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍,源系統(tǒng),傳輸系統(tǒng),目的系統(tǒng),傳輸 系統(tǒng),源點,終點,發(fā)送器,接收器,輸入信息,輸出信息,課件制作人：洪景新,19,2.3 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,

9、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,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,移動 無線電,電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜,課件制作人：洪景新,20,2.3.1 導(dǎo)向傳輸媒體,雙絞線 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair) 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted P

10、air) 同軸電纜 50 同軸電纜 75 同軸電纜 光纜,課件制作人：洪景新,21,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,課件制作人：洪景新,22,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,課件制作人：洪景新,23,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?課件制作人：洪景新,24,多模光纖與單模光纖,多模光纖,課件制作人：洪

11、景新,25,2.3.2 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,課件制作人：洪景新,26,2.4 模擬傳輸與數(shù)字傳輸 2.4.1 模擬傳輸系統(tǒng),長途干線最初采用頻分復(fù)用 FDM 的傳輸方式 FDM (Frequency Division Multiplexing) 目前我國長途通信線路已實現(xiàn)了數(shù)字化，因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機(jī)到市話交換機(jī)之間的這一段幾公里長的用戶線上。,課件制作人：洪景新,27,2.4.2 調(diào)制解調(diào)器,數(shù)據(jù)經(jīng)過模擬傳輸系統(tǒng)后會出現(xiàn)差錯。,課件制

12、作人：洪景新,28,調(diào)制解調(diào)器的作用,調(diào)制解調(diào)器(modem)包括： 調(diào)制器(MOdulator)：把要發(fā)送的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為頻率范圍在 3003400 Hz 之間的模擬信號，以便在電話用戶線上傳送。 解調(diào)器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。 本書中的調(diào)制解調(diào)器是指使用在標(biāo)準(zhǔn)的二線模擬話路（3.1 kHz 的標(biāo)準(zhǔn)話路帶寬）上的調(diào)制解調(diào)器。,課件制作人：洪景新,29,調(diào)制解調(diào)器的作用（續(xù)）,調(diào)制器的主要作用就是個波形變換器，它把基帶數(shù)字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸?shù)牟ㄐ?解調(diào)器的作用就是個波形識別器，它將經(jīng)過調(diào)制器變換過的模擬信號恢復(fù)成原來的數(shù)字信號。

13、 若識別不正確，則產(chǎn)生誤碼。 在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯檢測和糾正的設(shè)施。,課件制作人：洪景新,30,幾種最基本的調(diào)制方法,調(diào)制就是進(jìn)行波形變換（頻譜變換）。 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)字信號而變化。 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。 調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。,課件制作人：洪景新,31,對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基帶信號,調(diào)幅,調(diào)頻,調(diào)相,課件制作人：洪景新,32,一種正交調(diào)制 QAM,QAM (Quadrature Amplitude Modulation),r,(r,

14、),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4 bit 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(yīng)于一種 4 bit 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(jìn)行 解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。,課件制作人：洪景新,33,調(diào)制解調(diào)器的速率,目前調(diào)制解調(diào)器的信息傳輸速率已很接近于香農(nóng)的信道容量極限了。 要提高信息傳輸速率，只能設(shè)法提高信噪比。 在電話的用戶線上，最大的噪聲來自模擬到數(shù)字的模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來的量化噪聲。,課件制作人：洪景新,34,產(chǎn)生量化噪聲的地方（經(jīng)過 A/D 變化的地方）,A,2/4,A/D,A/

15、D,D/A,D/A,交換機(jī) 1,交換機(jī) 2,V.34 33.6 kb/s 調(diào)制解調(diào)器,B,D/A,A/D,4/2,V.34 33.6 kb/s 調(diào)制解調(diào)器,使用 V.34 調(diào)制解調(diào)器（33.6 kb/s）,課件制作人：洪景新,35,產(chǎn)生量化噪聲的地方（續(xù)） （經(jīng)過 A/D 變化的地方）,使用 V.90 調(diào)制解調(diào)器（56 kb/s）,A,2/4,A/D,A/D,交換機(jī),因特網(wǎng)服務(wù)提供者,V.90 56 kb/s 調(diào)制解調(diào)器,D/A,V.90 56 kb/s 調(diào)制解調(diào)器,課件制作人：洪景新,36,調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式,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鐘頻率和發(fā)送

16、端時鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)的比特流。 異步通信時不要求接收端時鐘和發(fā)送端時鐘同步。發(fā)送端發(fā)送完一個字節(jié)后，可經(jīng)過任意長的時間間隔再發(fā)送下一個字節(jié)。 異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。,課件制作人：洪景新,37,2.4.3 數(shù)字傳輸系統(tǒng),現(xiàn)在的數(shù)字傳輸系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制 PCM (Pulse Code Modulation)體制。,課件制作人：洪景新,38,時分復(fù)用,為了有效地利用傳輸線路，可將多個話路的PCM 信號用時分復(fù)用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法裝成時分復(fù)用幀，然后發(fā)送到線路上。 中國采用歐洲體

17、制，以 E1 為一次群。 美國和日本等國采用北美體制，以 T1 為一次群。,課件制作人：洪景新,39,E1 的時分復(fù)用幀,2.048 Mb/s,傳輸線路,CH0,CH16,CH17,CH15,CH15,CH16,CH17,CH31,CH31,CH0,CH1,CH1,時分復(fù)用幀,CH0,CH1,CH2,CH15,CH16,CH17,CH30,CH31,CH0,8 bit,t,時分復(fù)用幀,時分復(fù)用幀,T = 125 ms,15 個話路,15 個話路,課件制作人：洪景新,40,2.5 信道復(fù)用技術(shù),2.5.1 頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用 頻分復(fù)用：所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源。 時分

18、復(fù)用：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。,課件制作人：洪景新,41,頻分復(fù)用,頻率,時間,頻率 1,頻率 2,頻率 3,頻率 4,頻率 5,課件制作人：洪景新,42,時分復(fù)用,頻率,時間,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,課件制作人：洪景新,43,時分復(fù)用,頻率,時間,C,D,C,D,C,D,A,A,A,A,C,D,課件制作人：洪景新,44,時分復(fù)用,頻率,時間,B,D,B,D,B,D,A,A,A,A,B,D,課件制作人：洪景新,45,時分復(fù)用,頻率,時間,B,C,B,C,B,C,A,A,A,A,B,C,課件制作人：洪景新,46,時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費,A,B,C

19、,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 個時分復(fù)用幀,#1,a,c,b,c,d,時分復(fù)用,#2,#3,#4,用戶,課件制作人：洪景新,47,統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM,用戶,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 個 STDM 幀,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,統(tǒng)計時分復(fù)用,課件制作人：洪景新,48,1550 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

20、 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,2.5.2 波分復(fù)用 WDM,波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。,8 2.5 Gb/s 1310 nm,20 Gb/s,復(fù) 用 器,分 用 器,EDFA,120 km,課件制作人：洪景新,49,2.5.3 碼分復(fù)用 CDM,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，因此彼此不會造成干擾。 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(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)。 每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。,課

21、件制作人：洪景新,50,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(jìn)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),課件制作人：洪景新,51,CDMA 的重要特點,每個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)。 在實用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列

22、。,課件制作人：洪景新,52,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(inner product)都是 0：,(2-4),課件制作人：洪景新,53,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(2-4)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。,課件制作人：洪景新,54,任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1 。 一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化

23、內(nèi)積值是 1。,正交關(guān)系的另一個重要特性,課件制作人：洪景新,55,CDMA 的工作原理,S 站的碼片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 個碼片,t,S 站發(fā)送的信號 Sx,T 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,課件制作人：洪景新,56,2.6 同步光纖網(wǎng) 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(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。 如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)。 不是同步傳輸。 在過去相當(dāng)長的時間，為

24、了節(jié)約經(jīng)費，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。,課件制作人：洪景新,57,同步光纖網(wǎng) SONET,同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) 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 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。 光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。,課件制作人：洪景新,58,同步數(shù)字系列 SDH,ITU-T 以美國標(biāo)準(zhǔn) SONET 為基礎(chǔ)，制訂出國際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列 SDH (Synchronous Dig

25、ital Hierarchy)。 一般可認(rèn)為 SDH 與 SONET 是同義詞。 SDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當(dāng)于 SONET 體系中的 OC-3 速率。,SONET 的 OC 級/STS 級與 SDH 的 STM 級的對應(yīng)關(guān)系,課件制作人：洪景新,60,SONET 的體系結(jié)構(gòu),光子層,路徑層,線路層,段層,線路,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(fù)用器 或 分用器,復(fù)用器 或 分用器,轉(zhuǎn)發(fā)器,轉(zhuǎn)發(fā)器,段,段,段,路徑,課件制作人：洪景新,61,SONET 標(biāo)準(zhǔn)定義了四個光接口層,光子層(Photonic Layer) 處理跨越光纜的比特傳送。 段層(Section Layer) 在光纜上傳送 STS-N 幀。 線路層(Line Layer) 負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。 路徑層(Path Layer) 處理路徑端接設(shè)備 PTE (Path Terminating Element)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。,課件制作人：洪景新,62,2.7 物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例2.7.1