数据通信与网络 第2章 物理层.ppt

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1、第第2 2章章 物理层物理层 透明地透明地传输比特流传输比特流 为数据链路层提供服务为数据链路层提供服务 尽可能尽可能屏蔽屏蔽物理设备、传输媒体的物理设备、传输媒体的差异差异物物 理理 传传 输输 媒媒 体体 机械特性机械特性机械特性机械特性:指明物理连接时所采用的规格、引脚数和排列情况指明物理连接时所采用的规格、引脚数和排列情况指明物理连接时所采用的规格、引脚数和排列情况指明物理连接时所采用的规格、引脚数和排列情况 电气特性电气特性电气特性电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围指明在接口电缆的各条线上

2、出现的电压的范围 功能特性功能特性功能特性功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义 规程特性规程特性规程特性规程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序 物理层规程物理层规程物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口的一些特性数据通信系统模型数据通信系统模型 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

3、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数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机两个任务两个任务TASK 1为传输媒体准备货物为传输媒体准备货物数据表示和传输方式数据表示和传输方式 数据数据 (Data)传递（携带）信息的实体传递（携带）信息的实体 模拟数据模拟数据 (Analog Data)(Analog Data)连续值连续值 数字数据数字数据 (Digital Data)(Digital Data)离散值离散值 信号信号 (Signal)数据传输方式数据传输方式 模拟信号模拟信号 (Analog Signals)数

4、字信号数字信号 (Digital Signals)信道信道 (Channel)信号发送方式传送信息的线路信号发送方式传送信息的线路 模拟信号发送模拟信号发送 (模拟信道模拟信道)数字信号发送数字信号发送 (数字信道数字信道)数据表示和传输方式数据表示和传输方式 比特比特 (bit)信息量的单位信息量的单位 比特率比特率 (bps)每秒传输的二进制位个数每秒传输的二进制位个数 码元码元 (Code Cell)时间轴上的一个信号编码单元时间轴上的一个信号编码单元 同步脉冲同步脉冲(synchronizing pulse)码元的同步定时，识别码元的开始码元的同步定时，识别码元的开始 全双工通信方式全

5、双工通信方式 信息可以同时双向传输信息可以同时双向传输 一般采用四线式结构一般采用四线式结构AB数据数据监视信号监视信号AB数据数据监视信号监视信号AB数据数据监视信号监视信号数据表示和传输方式数据表示和传输方式 单工通信方式单工通信方式 信息只能单向传输信息只能单向传输 监视信号可回送监视信号可回送 半双工通信方式半双工通信方式 信息可以双向传输信息可以双向传输但在某一时刻只能单向传输但在某一时刻只能单向传输模拟和数字的模拟和数字的数据、信号数据、信号 模拟数据模拟信号放大器放大器 调制器调制器 模拟数据数字信号 PCM 编码器编码器 数字数据模拟信号调制器调制器 数字数据数字信号 数字数字

6、 发送器发送器 基带基带(base band)信信号号带通带通(band pass)信信号号 基带信号（基本频带信号）基带信号（基本频带信号）来自信源的信号来自信源的信号来自信源的信号来自信源的信号带通信号带通信号 基带信号经过载波调制后，把信号基带信号经过载波调制后，把信号基带信号经过载波调制后，把信号基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高频段以便在信道中传输的频率范围搬移到较高频段以便在信道中传输的频率范围搬移到较高频段以便在信道中传输的频率范围搬移到较高频段以便在信道中传输 基带数字信号的调制方法基带数字信号的调制方法 0 01 10 00 01 11 11 10 00 0基

7、带信号调幅调频调相正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)r(r,)可供选择的相位有 12 种，每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择 4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此每个点可对应于一种 4 bit 的编码 每个码元表示的比特数越多，在接收端解调时要正确识别每一种状态就越困难 基带数字信号的调制方法基带数字信号的调制方法 物理层下面的传输媒体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)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段10

8、4 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱导向传输媒体导向传输媒体 双绞线双绞线双绞线双绞线模拟、数字通吃模拟、数字通吃带宽依赖于线的粗细和传输距离带宽依赖于线的粗细和传输距离非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 UTPUTP (Unshielded Twisted Pair(Unshielded Twi

9、sted Pair )屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP STP (Shielded Twisted Pair)(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导向传输媒体导向传输媒体EIA/TIA 568A EIA/TIA 568B 基带同轴电缆基带同轴电缆基带同轴电缆基带同轴电缆50欧姆，用于数字传输欧姆，用于数字传输（差分）曼彻斯特编码（差分）曼彻斯特编码导向传输媒体导向传输媒体内导体内导体绝缘层绝缘层外导体屏蔽层外导体屏蔽层 绝缘保护层绝缘保护层 宽带同轴电缆宽带同轴电缆宽带同轴电缆宽带同轴电缆75欧姆，

10、用于模拟传输欧姆，用于模拟传输Cable TV技术技术 300MHz或或450MHz导向传输媒体导向传输媒体折射角入射角 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线在光纤中的折射光线在光纤中的折射光线在光纤中的折射导向传输媒体导向传输媒体高折射率(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光纤的工作原理光纤的工作原理光纤的工作原理光纤的工作原理输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤导向传输媒体导向传输媒体非导向传输媒体非导向传输媒体 短波通信：电离层的反射，通信质量较差短波通信：电离层的反射，通信质量较差微波通信：

11、直线传播微波通信：直线传播地面微波接力通信地面微波接力通信卫星通信卫星通信 无线传输无线传输频段广！频段广！两个任务两个任务TASK 2提高货物装载能力提高货物装载能力数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道 有失真，有失真，有失真，有失真，仍可识别仍可识别仍可识别仍可识别失真大，失真大，失真大，失真大，无法识别无法识别无法识别无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率 19241924，奈奎斯特（，奈奎斯特（H.Nyquist）（无噪声有限带宽）

12、在具有理想低通矩形特性的信道（无噪声有限带宽）在具有理想低通矩形特性的信道 最高码元传输率最高码元传输率=任何信道中码元传输的速率都是有上限的，任何信道中码元传输的速率都是有上限的，否则就会出现否则就会出现码间串扰码间串扰，使得接收端无法对码元进行判决，使得接收端无法对码元进行判决 如果信道的如果信道的频带变宽频带变宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，也就是能够通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。信道的最高码元传输速率信道的最高码元传输速率 19481948，香农（，香农（C.E.Shannon）受高斯白噪声干扰有限

13、带宽信道受高斯白噪声干扰有限带宽信道极限信息传输速率极限信息传输速率 信息的极限传输速率信息的极限传输速率正比于信道的带宽或信道中的信噪比正比于信道的带宽或信道中的信噪比 只要只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输无差错的传输 实际信道能够达到的信息传输速率比香农的极限传输速率低不少实际信道能够达到的信息传输速率比香农的极限传输速率低不少信道复用技术信道复用技术 复用复用(Multiplexing)多个信息源共享一个公共信道多个信息源共享一个公共信道 目的目的 提高线路利用率提高线路

14、利用率 适用场合适用场合 信道传输能力大于每个信源平均传输需求信道传输能力大于每个信源平均传输需求 信道复用技术信道复用技术信道A1A2B1B2C1C2信道信道共享信道复用分用不使用复用技术不使用复用技术A2B2C2A1B1C1使用复用技术使用复用技术频分复用频分复用 FDM Frequency Division MultiplexingFrequency Division Multiplexing所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源波分复用波分复用 WDM Wave Divis

15、ion Multiplexing Wave Division Multiplexing光的频分复用光的频分复用光的频分复用光的频分复用时分复用时分复用 TDMTDM Time Division MultiplexingTime Division Multiplexing所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度时分复用时分复用 频率频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧

16、时分复用时分复用频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在在 TDM 帧中帧中的位置不变的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧时分复用造成线路资源浪费时分复用造成线路资源浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 4 个时分复用帧个时分复

17、用帧#1acbcd时分复用时分复用#2#3#4用户用户统计时分复用统计时分复用 STDMStatistic TDMStatistic TDM 用户用户ABCDabcdttttt3 3 个个 STDM STDM 帧帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用统计时分复用码分复用码分复用 CDM 码分复用码分复用 Code DivisionCode Division Multiplexing Multiplexing 码分多址码分多址 Code Division Multiplex Access Code Division Multiplex Access 每一用户码型不同，频谱类似白噪声每一

18、用户码型不同，频谱类似白噪声 双重抗干扰，话音质量高双重抗干扰，话音质量高 增大通信系统容量增大通信系统容量码片序列码片序列 chip sequence每一比特时间划分为m个短间隔，即码片(chip)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 11100100S站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1)CDMA 的码片序列的码片序列每站分配的码片序列各不相同，并且互相正交正交

19、(orthogonal)实用系统中常用伪随机码序列伪随机码序列S站的码片向量：S S；其他站的码片向量：T T两个不同站的码片序列正交 即向量S S和T T的规格化内积规格化内积(inner product)都是0 码片序列的正交关系码片序列的正交关系 令向量 S=(1 1 1+1+1 1+1+1)向量 T=(1 1+1 1+1+1+1 1)S和T是正交的码片序列任何一个码片向量和自己本身的规格化内积都是+1 码片向量和该码片反码向量的规格化内积值是 1 CDMA 的工作原理的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总发送信号 S

20、x+Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端数据同步方式数据同步方式使接收端与发送端在时间基准上一致使接收端与发送端在时间基准上一致位同步位同步 外同步、内同步外同步、内同步 字符同步字符同步 以字符为边界实现字符的同步接收以字符为边界实现字符的同步接收 帧同步帧同步 识别一个帧的起始和结束识别一个帧的起始和结束 数字数字信号编码数字数字信号编码 不归零码不归零码 NRZ Non-Return to Zero 曼彻斯特编码曼彻斯特编码 Manchester Code 差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码 Differential Manchester Code 脉码调制

21、脉码调制 PCM Pulse Coded ModulationPulse Coded Modulation 采样采样 按一定间隔对语音信号进行采样按一定间隔对语音信号进行采样 量化量化 对每个样本舍入到量化级别上对每个样本舍入到量化级别上 编码编码 对每个舍入后的样本进行编码对每个舍入后的样本进行编码 从从 PDH 到到 SDH 准同步数字系列准同步数字系列 PDHPDH Plesiochronous Digital Hierarchy 欧洲欧洲 E1E1：2.048 Mb/s2.048 Mb/s 北美及日本北美及日本 T1T1：1.544 Mb/s1.544 Mb/s 同步光纤网同步光纤网

22、SONETSONET Synchronous Optical Network 同步数字系列同步数字系列 SDHSDH Synchronous Digital Hierarchy 统一标准统一标准 STM-1STM-1：155.520 Mb/s155.520 Mb/sSONET 体系结构体系结构 光子层路径层线路层段层线路(line)光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径(path)(section)(section)(section)DTE通过通过DCE与与通信传输线路相连通信传输线路相连

23、用户设施用户设施通信设施通信设施用户设施用户设施DTEDTEDTEDTE串行比特通信串行比特通信用户环境用户环境信号线、控制线信号线、控制线信号线、控制线信号线、控制线用户环境用户环境 数据终端设备数据终端设备 DTEDTE Data Terminal Equipment 具有一定数据处理和发送接收数据能力的设备具有一定数据处理和发送接收数据能力的设备 数据电路端接设备数据电路端接设备 DCEDCE Data Circuit-terminating Equipment 在在DTE和传输线路之间转换信号及编码，并负责链路的设备和传输线路之间转换信号及编码，并负责链路的设备EIA-232-E机械特

24、性机械特性 ISO 2110标准标准 电气特性电气特性 CCITT V.28建议书建议书 功能特性功能特性 CCITT V.24建议书建议书 规程特性规程特性 CCITT V.24建议书建议书 FemalemaleRS-449因特网因特网AN宽带接入技术ISPISPxDSL利用数字技术对模拟电话线进行改造，以承载宽带业务标准模拟电话信号频带：300 3400 Hz 用户线实际信号带宽：1 MHz低端频谱(0 4 kHz)传统电话高端频谱(4 kHz 1.1 MHz)用户接入网DSL(Digital Subscriber Line)前缀 x：在数字用户线上实现的不同宽带方案xDSL 分类分类 A

25、DSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)非对称数字用户线非对称数字用户线HDSL (High speed DSL)高速数字用户线高速数字用户线SDSL (Single-line DSL)1 对线的数字用户线对线的数字用户线VDSL (Very high speed DSL)甚高速数字用户线甚高速数字用户线DSL ISDN 用户线用户线RADSL (Rate-Adaptive DSL)速率自适应速率自适应 DSL是是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率的一个子集，可自动调节线路速率ADSL 的极限传输距离的极限传输距离用户线越细，信号传输时的衰减越大

26、最高数据传输速率正比于实际的用户线上的信噪ADSL 的极限传输距离L取决于数据率C及用户线的线径D用户线 D=0.5 mm，C=1.5 2.0 Mb/s，L=5.5 km用户线 D=0.5 mm，C=6.1 Mb/s，L=3.7 km用户线 D=0.4 mm，C=6.1 Mb/s，L=2.7 kmADSL ADSL 特点特点上行（从用户到ISP）和下行（从ISP到用户）带宽非对称在用户线（铜线）两端各安装一个ADSL Modem我国采用离散多音调DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术“多音调”=“多载波”=“多子信道”DMT 技术技术DMT 调制技术采用频分复用方法把高端频

27、谱(4 kHz 1.1 MHz)划分为许多子信道25 个子信道用于上行信道，249 个子信道用于下行信道每个子信道带宽 4.3125 kHz 4 kHz每个子信道使用不同的载波（多音调）进行数字调制想象场景：在一对用户线上有许多微型Modem并行地传送数据DMT 技术的频谱分布技术的频谱分布 频谱频率上行信道传统电话04下行信道(kHz)401381100ADSL 的数据率的数据率用户线的具体条件相差很大（距离、线径、相邻用户线干扰程度）ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL Modem 就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况

28、，以及在每一个频率上测试信号的传输质量ADSL 不能保证固定的数据率（甚至于无法开通）通常下行数据率(32 kb/s 6.4 Mb/s)，上行数据率(32 kb/s 640 kb/s)ADSL 组成组成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线 电话分离器 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PSPS数字用户线接入复用器 DSLAM(DSL Access Multiplexer)接入端接单元 ATU(Access Termination Unit)端局接入端接单元 ATU-C(C=Central Office)远端接入端接单元 ATU-R

29、(R=Remote)电话分离器 PS(POTS Splitter)第二代第二代 ADSL ADSL2(G.992.3 G.992.4)ADSL2+(G.992.5)调制效率提高，数据率更高ADSL2 至少支持(下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s)的速率ADSL2+将频谱范围扩展至 2.2 MHz 下行速率可达 16 Mb/s（最大25 Mb/s），而上行速率可达 800 kb/s采用了无缝速率自适应技术 SRA(Seamless Rate Adaptation)可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下自适应地调整数据率改善了线路质量评测和故障定位功能，提高了网络的运行维护水平光纤同轴混

30、合网光纤同轴混合网HFC Hybrid Fiber Coax Hybrid Fiber Coax一种基于有线电视网 CATV 的居民宽带接入网可传送 CATV，提供电话、数据和其他宽带交互型业务现有 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输 HFC 网需要对 CATV 网进行改造HFC 主要特点主要特点将原 CATV 网中主干同轴电缆改换为光纤，使用模拟光纤技术在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，比使用数字光纤更为经济模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)即光分配结点 ODN(Optical Distribution Node)在光纤结

31、点，光信号被转换为电信号光纤结点以下是同轴电缆HFC 网的结点体系结构网的结点体系结构 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更宽的频谱，双向传输更宽的频谱，双向传输下行信道上行信道5 40 50 550 750 1000原有模拟电视数字信号频率(MHz)保留用户接口盒用户接口盒 UIBUIB User Interface BoxUser Interface Box 使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)(set-top box)再连接到用户电视机 使用双绞线连接到用户的电话机 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机电缆调制解调器电缆调制解调器Cable M

32、odem电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器最大特点：传输速率高 下行速率(310 Mb/s)，最高30 Mb/s 上行速率(0.22 Mb/s)，最高 10 Mb/sCable Modem 普通调制解调器 更复杂，并不成对使用，只安装在用户端HFC 网优点网优点 频带很宽，能够利用现有覆盖面巨大的有线电视网需要将现有 450 MHz 单向传输CATV网改造为 750 MHz 双向传输 HFC 网将所有用户服务区互连，避免产生 HFC 网的孤岛，需要资金和时间在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题FTTx 技术技术 FTTx（光纤到）也是一种实现宽带居民接入网的方案字母 x 可代

33、表不同含义光纤到家 FTTH(Fiber To The Home)光纤一直铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方案光纤到大楼 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分配到各用户光纤到路边 FTTC(Fiber To The Curb)从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体习题解答 2-17 试比较试比较xDSL、HFC以及以及FTTx接入技术的优缺点接入技术的优缺点答：答：1、xDSL 优点：优点：可利用现有电话网络 架设方便 造价低 独占用户线路 缺点：缺点：带宽较小 线路长度受制，应小于5000米 习题解答 2-17 试比较试比较xDSL、HFC以及以及FTTx接入技术的优缺点接入技术的优缺点答：答：2、HFC 优点：优点：具有很宽的频带 能利用现有的有线电视网 缺点：缺点：采用共享结构，随着用户的增多，个人接入速率会下降 网络改造需要相当的资金和时间 需要协调一定的电信政策习题解答 2-17 试比较试比较xDSL、HFC以及以及FTTx接入技术的优缺点接入技术的优缺点答：答：3、FTTx 优点：优点：采用以太网方式接入 带宽非常大 缺点：缺点：需要重新布线，技术复杂，造价高 用户速率受制于与城域网和互联网相连的专线速率