CH2-6ed物理層

1、課件制作人：謝希仁計算機網絡（第 6 版）第 2 章 物理層課件制作人：謝希仁第 2 章 物理層2.1 物理層的基本概念2.2 數據通信的基礎知識2.2.1 數據通信系統的模型2.2.2 有關信道的幾個基本概念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 導引型傳輸媒體2.3.2 非導引型傳輸媒體課件制作人：謝希仁第 2 章 物理層（續(xù)）2.4 信道復用技術 2.4.1 頻分復用、時分復用和統計時分復用 2.4.2 波分復用 2.4.3 碼分復用2.5 數字傳輸系統2.6 寬帶接入技術 2.6.1 ADSL技術 2.6.2 光纖同軸混合網（

2、HFC 網） 2.6.3 FTTx 技術課件制作人：謝希仁2.1 物理層的基本概念 物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： n機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。n電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。n功能特性 指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。n過程特性 指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。 課件制作人：謝希仁2.2 數據通信的基礎知識2.2.1 數據通信系統的模型 傳輸系統輸入信息輸入數據發(fā)送的信號接收的信號輸出數據源點終點發(fā)送器接收器調制解調器PC 公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬

3、信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字數據通信系統源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC課件制作人：謝希仁幾個術語n數據(data)運送消息的實體。n信號(signal)數據的電氣的或電磁的表現。 n“模擬的”(analogous)代表消息的參數的取值是連續(xù)的。 n“數字的”(digital)代表消息的參數的取值是離散的。 n碼元(code)在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。課件制作人：謝希仁 2.2.2 有關信號的幾個基本概念n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。n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(

4、當然也就不能同時接收)。n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：謝希仁基帶(baseband)信號和帶通(band pass)信號 n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據信號都屬于基帶信號。n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。因此必須對基帶信號進行調制(modulation)。 n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）。 課件制作人：謝希仁幾種最基本的調制方法 n基帶信號往

5、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)。 n最基本的二元制調制方法有以下幾種：n調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。 n調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。n調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。 課件制作人：謝希仁對基帶數字信號的幾種調制方法 010011100基帶信號調幅調頻調相課件制作人：謝希仁正交振幅調制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇的相位有 12 種，而對于每一種相位有 1

6、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于一種 4 bit 的編碼。 若每一個碼元可表示的比特數越多，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。 舉例課件制作人：謝希仁2.2.3 信道的極限容量 n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。 n碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。 課件制作人：謝希仁數字信號通過實際的信道 n有失真，但可識別n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

7、限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形課件制作人：謝希仁信道能夠通過的頻率范圍n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。n在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。n如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。 課件制作人：謝希仁(2) 信噪比 n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。n信道的極限信息傳輸速率

8、C 可表達為n C = W log2(1+S/N) b/s nW 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；nS 為信道內所傳信號的平均功率；nN 為信道內部的高斯噪聲功率。 課件制作人：謝希仁香農公式表明 n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。 n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無差錯的傳輸。 n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。n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。 課件制作人：謝希仁請注意 n對于頻帶寬度已確定的信道，如果信

9、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。 課件制作人：謝希仁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)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移

10、動無線電 電信領域使用的電磁波的頻譜課件制作人：謝希仁2.3.1 導引型傳輸媒體n雙絞線n屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)n無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同軸電纜n50 同軸電纜n75 同軸電纜n光纜 課件制作人：謝希仁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體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體無屏蔽雙絞線 UTP屏蔽雙絞線 STP同軸電纜課件制作人：謝希仁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：謝希仁光纖的工

11、作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射課件制作人：謝希仁輸入脈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課件制作人：謝希仁2.3.2 非導引型傳輸媒體 n無線傳輸所使用的頻段很廣。n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。n微波在空間主要是直線傳播。 n地面微波接力通信n衛(wèi)星通信 課件制作人：謝希仁 無線局域網使用的 ISM 頻段 26 83.5 125頻帶 MHz MHz MHz頻率 902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz GHz課件制作人：謝希仁+( )2.4

12、 信道復用技術2.4.1 頻分復用、時分復用和統計時分復用 n復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。 +A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a) 使用單獨的信道(b) 使用共享信道復用分用課件制作人：謝希仁頻分復用 FDM(Frequency Division Multiplexing) n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頻帶。n頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發(fā)送速率）。 頻率時間頻帶 1頻帶 2頻帶 3頻帶 n課件制作人：謝希仁時分復用TDM(Time Divisi

13、on Multiplexing) n時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM 幀）。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。n每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是 TDM 幀的長度）。nTDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。n時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。課件制作人：謝希仁時分復用 頻率時間B C DB C DB C DB C DAAAATDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀周期性出現課件制作人：謝希仁時分復用可能會造成線路資源的浪費 ABCDaabbcdb cattttt4 個時分復用幀#1ac

14、bcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發(fā)性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。 課件制作人：謝希仁統計時分復用 STDM(Statistic TDM) 用戶ABCDabcdttttt3 個 STDM 幀#1acbab bcacd#2#3統計時分復用課件制作人：謝希仁 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm

15、6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分復用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) n波分復用就是光的頻分復用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s復用器分用器EDFA120 km光調制器光解調器課件制作人：謝希仁2.4.3 碼分復用 CDM(Code Division Multiplexing) n常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n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。n這種系統發(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。

16、 n每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 課件制作人：謝希仁碼片序列(chip sequence) n每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。n如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。 n例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。n發(fā)送比特 1 時，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 課件制作人：謝希仁CDMA 的重要特點n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(o

17、rthogonal)。n在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。 課件制作人：謝希仁碼片序列的正交關系 n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。 n兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規(guī)格化內積(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)課件制作人：謝希仁碼片序列的正交關系舉例 n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)。 n把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。 課件制作人：謝希仁n任何一個碼片向量和該碼片向量自

18、己的規(guī)格化內積都是1 。n一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內積值是 1。 正交關系的另一個重要特性 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS課件制作人：謝希仁CDMA 的工作原理 S 站的碼片序列 S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 SxT 站發(fā)送的信號 Tx總的發(fā)送信號 Sx + Tx規(guī)格化內積 S Sx規(guī)格化內積 S Tx數據碼元比特發(fā)送端接收端課件制作人：謝希仁2.5 數字傳輸系統n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。n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

19、歐洲的 30 路 PCM（簡稱為 E1）。我國采用的是歐洲的 E1 標準。nE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。n當需要有更高的數據率時，可采用復用的方法。 課件制作人：謝希仁舊的數字傳輸系統存在著許多缺點最主要的是以下兩個方面： n速率標準不統一。n如果不對高次群的數字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數據傳輸就很難實現。 n不是同步傳輸。n在過去相當長的時間，為了節(jié)約經費，各國的數字網主要是采用準同步方式。 課件制作人：謝希仁同步光纖網 SONETn同步光纖網 SONET (Synchronous Optical Network) 的各級時鐘都來

20、自一個非常精確的主時鐘。 n第 1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。n光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 課件制作人：謝希仁同步數字系列 SDH nITU-T 以美國標準 SONET 為基礎，制訂出國際標準同步數字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。n一般可認為 SDH 與 SONET 是同義詞。nSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer

21、Module)，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-1 155.520OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC

22、-192/STS-192STM-6410 Gb/s39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET 的 OC 級/STS 級與 SDH 的 STM 級的對應關系 課件制作人：謝希仁2.6 寬帶接入技術2.6.1 ADSL技術nADSL 技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務。n標準模擬電話信號的頻帶被限制在 3003400 Hz 的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。nADSL 技術就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。nDSL 就是數字用

23、戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。課件制作人：謝希仁DSL 的幾種類型 nADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數字用戶線nHDSL (High speed DSL)：高速數字用戶線nSDSL (Single-line DSL)：1 對線的數字用戶線nVDSL (Very high speed DSL)：甚高速數字用戶線nDSL ：ISDN 用戶線。nRADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應 DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調節(jié)線路速率）。 課件制作人：謝希仁ADSL 的極限傳輸距離n

24、ADSL 的極限傳輸距離與數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據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。n例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時可傳送 5.5 公里，但當傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。n如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里 課件制作人：謝希仁ADSL 的特點n上行和下行帶寬做成不對稱的。n上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。nADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL

25、 調制解調器。n我國目前采用的方案是離散多音調 DMT (Discrete Multi-Tone)調制技術。這里的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。課件制作人：謝希仁DMT 技術nDMT 調制技術采用頻分復用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 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。n每個子信道占據 4 kHz 帶寬（嚴格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調制。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據。課件制作人：謝希仁DMT 技術的頻譜分布 頻譜

26、頻率上行信道傳統電話04下行信道(kHz)401381100課件制作人：謝希仁ADSL 的數據率n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據率。n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。nADSL 不能保證固定的數據率。對于質量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。n通常下行數據率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數據率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。ADSL 的

27、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數字用戶線接入復用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表遠端 Remote）電話分離器 PS (POTS Splitter) 課件制作人：謝希仁第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5）n通過提高調制效率得到了更

28、高的數據率。例如，ADSL2 要求至少應支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 則將頻譜范圍從 1.1 MHz 擴展至2.2 MHz，下行速率可達 16 Mb/s（最大傳輸速率可達25 Mb/s），而上行速率可達 800 kb/s。n采用了無縫速率自適應技術 SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在運營中不中斷通信和不產生誤碼的情況下，自適應地調整數據率。n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。課件制作人：謝希仁2.6.2 光纖同軸混合網HFC (Hybrid Fiber Coax)nHFC 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。nHFC 網除可傳送 CATV 外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業(yè)務。n現有的 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， 課件制作人：謝希仁HFC 的主要特點 (1) HFC網的主干線路采用光纖nHFC 網將原 CATV 網中的同軸電纜主干部分改換為光纖，