CH2 物理层.ppt

CH2 物理层物理层2主要内容n物理层的基本概念和数据通信的基础知识n传输介质n模拟传输与数字传输n信道复用3基本概念和数据通信基础4数据通信系统的模型 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 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机5The Conception信号信号(Signal)：数据的电编码或电磁编码，数据以信号的形式传播。信道信道(Channel)：传送信息的媒体。数据率数据率(Bit Rate)：数据传输速率 (bps)波特波特(Baud)：码元传输速率1 Baud = (log2V) bps，其中V是信号的电平级数传播速度传播速度(Propagation Speed)：通信线路上，信号单位时间内传送的距离（米/秒）时延时延(Delay)：从向网络中发送第一位数据开始，到最后一位数据被接收所经历的时间。它表示网络的响应速度。时延的组成：时延的组成：传播时延、传输时延、排队时延传播时延：传播时延：光/电信号通过传输介质的时间。传输时延：传输时延：设备发送光/电信号至传输介质的时间。排队时延：排队时延：在交换机/路由器中排队等待的时间。6The Conception(2)带宽带宽(Bandwidth)：信号占用的频率范围 (Hz) 信道容量信道容量(Channel Capacity)：信道的最大数据率吞吐量吞吐量(Throughput)：网络容量的度量，表示单位时间内网络可以传送的数据位数（bps）误码率误码率(Bit Error Rate)：信道传输可靠性指标 P= 传送错的位数 / 传送总位数信息交互的方式：信息交互的方式：单工、半双工与全双工串行传输与并行传输串行传输与并行传输同步传输与异步传输同步传输与异步传输7串行传输与并行传输串行传输与并行传输parallelSerial数据线数据线发送方发送方接收方接收方发送方发送方接收方接收方数据线数据线parallelSerial数据线数据线8同步传输与异步传输同步传输与异步传输同步传输同步传输n以时钟来对传输进行同步以时钟来对传输进行同步n以数据块（帧或分组）为单位传输以数据块（帧或分组）为单位传输FlagAddressCtrlFCSDataFlag011111001111109同步传输与异步传输同步传输与异步传输异步传输异步传输n独立时钟，无须同步n以字符为单位进行传输n发送两个字符之间的间隔是任意的n接收方依靠字符中的起始位来同步CharacterSTOPSTARCharacterSTOPSTARIndefinite Time IntervalTTDirection of transmission10模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器11 通信方式n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。n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)。n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。 12基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号 n基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 n宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。 13 信道的最高码元传输速率 n任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 n码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。 14奈氏(Nyquist)准则 n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。nBaud 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。 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) 15信道的极限信息传输速率 n香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为n C = W log2(1+S/N) b/s uW 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；uS 为信道内所传信号的平均功率；uN 为信道内部的高斯噪声功率。 16奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输系统源点终点发送器接收器输入信息输出信息输入数据输出数据发送的信号接收的信号码元传输速率受奈氏准则的限制信息传输速率受香农公式的限制17传输介质18有导向传输媒体n双绞线u屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)u无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同轴电缆u50 同轴电缆u75 同轴电缆n光缆 19各种电缆铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP同轴电缆20Twisted Pair(a) Category 3 UTP (16MHz)(b) Category 5 UTP (100MHZ)n Most common transmission media n The most common application is the telephone systemn Can be used for transmitting either analog or digital signalsn Category 6 UTP (250M), Category 7 UTP (600M)21Fiber Cables(a) Side view of a single fiber.(b) End view of a sheath with three fibers.22非导向传输媒体 n无线传输所使用的频段很广n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n微波在空间主要是直线传播 u地面微波接力通信u卫星通信 23模拟传输与数字传输24模拟传输系统 n长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式uFDM (Frequency Division Multiplexing)n目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。 25调制解调器 n数据经过模拟传输系统后会出现差错 出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻26调制解调器的作用n调制解调器(modem)包括：u调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号的某些特性，转换为频率范围在 3003400 Hz 之间的模拟信号的某些特性，以便在电话用户线上传送的模拟信号就携带了数字信号的某些信息。u解调器(DEModulator)：进行和调制器相反的变化，把模拟信号携带的数字信号的特性提取出来。n调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器。 27调制解调器的作用（续）n调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 n解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。u若识别不正确，则产生误码。u在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施。 28基本的调制方法 n调制就是进行波形变换（频谱变换）。 n最基本的二元制调制方法有以下几种：u调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 u调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。u调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 29对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相30一种正交调制 QAM nQAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )31数字传输系统 n现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。 采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原32时分复用 n为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。n中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群。n美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群。33E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 ms15 个话路15 个话路34信道复用技术35频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 536时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧37时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧38时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧39时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧40时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户41统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用42 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 6 1556 nm 7 1557 nm 波分复用 WDM n波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km光调制器光解调器43码分复用 CDM n常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。n各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。n这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 n每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。 44同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH4546同步光纤网 SONETn同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 n第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。n光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier47同步数字系列 SDHnITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。n一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。nSDH 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。48常见物理层标准49 EIA-232-E 接口标准nDTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。nDCE (Data Circuit-terminating Equipment)是数据电路端接设备，它在 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。 50DTE 通过 DCE 与通信传输线路相连 DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境51EIA-232/V.24 的信号定义 (1) 保护地(2) 发送数据(3) 接收数据(4) 请求发送(5) 允许发送(6) DCE 就绪(7) 信号地(8) 载波检测(20) DTE 就绪(22) 振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器52两个 DTE 通过 DCE进行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/ V.24 接口调制解调器网 络53利用虚调制解调器与两台计算机相连 插头插头插座插座计算机虚调制解调器计算机（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE 就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE 就绪（22）振铃指示54RS-449 接口标准 nRS-449 由 3 个标准组成。即：uRS-449uRS-423-AuRS-422-A