第二章 物理層

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(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(hào)模擬信號(hào)輸入漢字顯示漢字?jǐn)?shù)據(jù)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(jī)1、模擬傳輸：傳輸模擬信號(hào)（或連續(xù)信號(hào)）頻帶傳輸：數(shù)字信號(hào)－〉模擬調(diào)制（音頻）寬帶傳輸：數(shù)字信號(hào)－〉寬帶模擬信號(hào)

300MHz－450MHz一、信號(hào)傳輸方式調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。最基本的二元制調(diào)制方法對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相正交振幅調(diào)制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r(r,)可供選擇的相位有12種，而對(duì)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(gè)點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一種4bit的編碼。若每一個(gè)碼元可表示的比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一種狀態(tài)就越困難。舉例為達(dá)到更高的信息傳輸速率，采用多元制振幅相位混合調(diào)制方法。2、基帶傳輸：將數(shù)字設(shè)備發(fā)出的數(shù)字信號(hào)直接發(fā)送到信道上去傳輸。對(duì)基帶信號(hào)的波形進(jìn)行變換，使它能夠與信道的特性相適應(yīng)，變換后的信號(hào)仍然是基帶信號(hào)。這種調(diào)制稱為基帶調(diào)制，也稱為編碼。常用的編碼方法有曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。用曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼還可以提取同步時(shí)鐘，使收發(fā)雙方位同步。曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼：“1”：“0”：（電平由高到低跳變?yōu)?，由低到高跳變?yōu)?）差分曼徹斯特編碼：“1”：“0”：（碼元起始處電平無跳變?yōu)?，有跳變?yōu)?）任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)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?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。2.2.3信道的極限容量有失真，但可識(shí)別失真大，無法識(shí)別數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)波形

信道能夠通過的頻率范圍香農(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(cuò)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

=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

(2)信噪比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(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當(dāng)然實(shí)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(shí)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。香農(nóng)公式表明：注意：對(duì)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(dá)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(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。物理媒體(介質(zhì))屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)雙絞線同軸電纜基帶同軸電纜

一條電纜只用于一個(gè)信道，50，用于數(shù)字傳輸寬帶同軸電纜

一條電纜同時(shí)傳輸不同頻率的多路模擬信號(hào)，75，用于模擬傳輸，300—450MHz，100km，需要放大器

銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護(hù)套玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯單芯光纜多芯光纜玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼常見規(guī)格：玻璃內(nèi)芯——50um緩變型MMF 62.5um緩變/增強(qiáng)型MMF 8.3um突變型SMF

玻璃包層——125um典型的光纜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瓷漭斎朊}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BS基站

用戶計(jì)算機(jī)和終端BS無線電兩個(gè)地面站之間傳送距離：50-100km地球地面站之間的直視線路微波傳送塔地面微波接力與地面站相對(duì)固定位置使用3個(gè)衛(wèi)星覆蓋全球傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)22,300公里地球地球同步衛(wèi)星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(diào)幅無線電

調(diào)頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動(dòng)無線電電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜1、機(jī)械特性:指明接口所用接線器的開關(guān)和尺寸、引腳數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等；2、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、傳輸距離等；3、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。4、過程特性：指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。物理層規(guī)程的四個(gè)特性DTE(DataTerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備，它在DTE和傳輸線路之間提供信號(hào)變換和編碼的功能，并且負(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。

四.物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例

1.EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn)DTE通過DCE

與通信傳輸線路相連DTEDCEDCE串行比特傳輸信號(hào)線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設(shè)施通信設(shè)施DTE信號(hào)線與控制線用戶設(shè)施用戶環(huán)境EIA-232/V.24的信號(hào)定義(1)保護(hù)地(2)發(fā)送數(shù)據(jù)(3)接收數(shù)據(jù)(4)請(qǐng)求發(fā)送(5)允許發(fā)送(6)DCE就緒(7)信號(hào)地(8)載波檢測(cè)(20)DTE就緒(22)振鈴指示DTEDCE計(jì)算機(jī)或終端調(diào)制解調(diào)器兩個(gè)DTE通過DCE

進(jìn)行通信的例子EIA-232/V.24

接口調(diào)制解調(diào)器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/V.24

接口調(diào)制解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)利用虛調(diào)制解調(diào)器

與兩臺(tái)計(jì)算機(jī)相連插頭插頭插座插座計(jì)算機(jī)虛調(diào)制解調(diào)器計(jì)算機(jī)（1）保護(hù)地（2）發(fā)送（3）接收（4）請(qǐng)求發(fā)送（5）允許發(fā)送（6）DCE就緒（7）信號(hào)地（8）載波檢測(cè)（20）DTE就緒（22）振鈴指示（1）保護(hù)地（2）發(fā)送（3）接收（4）請(qǐng)求發(fā)送（5）允許發(fā)送（6）DCE就緒（7）信號(hào)地（8）載波檢測(cè)（20）DTE就緒（22）振鈴指示

RS-232C的DTE-DTE連接

RS-449由3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成。即：RS-449規(guī)定機(jī)械功能和過程RS-423-A電氣特性，非平衡方式RS-422-A

電氣特性，平衡方式傳輸距離：10米時(shí)為10Mbps,1Km時(shí)為100kbps

RS-449接口標(biāo)準(zhǔn)

RS-485接口標(biāo)準(zhǔn)RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗干擾性好。最高傳輸速率為10Mbps

。RS-485接口的最大傳輸距離達(dá)3000米，另外RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。

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(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案xDSL技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制在300~3400kHz的范圍內(nèi)，但用戶線本身實(shí)際可通過的信號(hào)頻率仍然超過1MHz。xDSL技術(shù)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(wǎng)使用。2.6寬帶接入技術(shù)

2.6.1xDSL技術(shù)ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非對(duì)稱數(shù)字用戶線HDSL(HighspeedDSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL(Single-lineDSL)：1對(duì)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(yīng)DSL，是ADSL的一個(gè)子集，可自動(dòng)調(diào)節(jié)線路速率）。xDSL的幾種類型

ADSL的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號(hào)傳輸時(shí)的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實(shí)際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。例如，0.5毫米線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時(shí)可傳送5.5公里，但當(dāng)傳輸速率提高到6.1Mb/s時(shí)，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的極限傳輸距離上行和下行帶寬做成不對(duì)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(gè)ADSL調(diào)制解調(diào)器。我國(guó)目前采用的方案是離散多音調(diào)DMT(DiscreteMulti-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。ADSL的特點(diǎn)DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)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(gè)子信道用于上行信道，而249個(gè)子信道用于下行信道。每個(gè)子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴(yán)格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對(duì)用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。DMT技術(shù)DMT技術(shù)的頻譜分布…頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道…(kHz)~40~138~1100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(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。當(dāng)ADSL啟動(dòng)時(shí)，用戶線兩端的ADSL調(diào)制解調(diào)器就測(cè)試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測(cè)試信號(hào)的傳輸質(zhì)量。ADSL不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對(duì)于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通ADSL。通常下行數(shù)據(jù)率在32kb/s到6.4Mb/s之間，而上行數(shù)據(jù)率在32kb/s到640kb/s之間。ADSL的數(shù)據(jù)率ADSL的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線

電話分離器

區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至ISP居民家庭基于ADSL的接入網(wǎng)端局或遠(yuǎn)端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)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(yuǎn)端Remote）電話分離器PS(POTSSplitter)

通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2要求至少應(yīng)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(kuò)展至2.2MHz，下行速率可達(dá)16Mb/s（最大傳輸速率可達(dá)25Mb/s），而上行速率可達(dá)800kb/s。采用了無縫速率自適應(yīng)技術(shù)SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在運(yùn)營(yíng)中不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。改善了線路質(zhì)量評(píng)測(cè)和故障定位功能，這對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)水平具有非常重要的意義。第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）

ADSL2+（G.992.5）HFC網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)CATV的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。HFC網(wǎng)除可傳送CATV外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有的CATV網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對(duì)電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸。而HFC網(wǎng)則需要對(duì)CATV網(wǎng)進(jìn)行改造。2.6.2光纖同軸混合網(wǎng)

HFC(HybridFiberCoax)(1)HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖HFC網(wǎng)將原CATV網(wǎng)中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術(shù)。在模擬光纖中采用光的振幅調(diào)制AM，這比使用數(shù)字光纖更為經(jīng)濟(jì)。模擬光纖從頭端連接到光纖結(jié)點(diǎn)(fibernode)，即光分配結(jié)點(diǎn)ODN(OpticalDistributionNode)。在光纖結(jié)點(diǎn)光信號(hào)被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在光纖結(jié)點(diǎn)以下就是同軸電纜。HFC的主要特點(diǎn)(2)HFC網(wǎng)采用結(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)同軸電纜頭端模擬光纖放大器引入線分路器光纖結(jié)點(diǎn)服務(wù)區(qū)服務(wù)區(qū)服務(wù)區(qū)HFC網(wǎng)采用結(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)同軸電纜光纖光纖結(jié)點(diǎn)頭端高帶寬光纖同軸電纜光纖HFC網(wǎng)(3)HFC網(wǎng)具有比CATV網(wǎng)更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能下行信道上行信道5