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1、第2章 物理层,2.1 物理层基本概念2.2 数字通信的基本概念2.3 传输介质2.4 多路复用技术2.5 数字传输系统2.6 宽带接入技术,2.1 物理层（physical layer）,与传输媒体的接口，完成传输媒体上的信号与二进制数据间的转换,物理接口上发送或接收的是一串以某种规则表示的二进制的数据物理层定义的是接口的机械特性、电气特性、功能和过程特性等例如：插头、插座的几何尺寸，每根引脚的功能定义，逻辑0和1的电平定义，信号宽带定义,举例：RS-232C标准,机械特性：25针D型插座及相关的长、宽、高 25 PIN 9 PIN DTE端为Male DCE端为Female 电气特性：逻辑
2、0：+12 V 逻辑1：-12 V最长传输距离 15 m最大传输速率 20k b/s,计算机或终端通过 RS-232-C接口与调制解调器连接,计算机或终端通过 RS-232-C接口与计算机连接,2.2 数据通信系统的模型,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,PC 机,数字信号的Fourier分析数据与信号信道和信道基本参数信道工作方式,5.数据传输异步通信和同步通信串行通信和并行通信,1、数字信号的Fourier分析,傅立叶级数：任何正常周期为T的函数g(t)，都可由（无限个）正弦和余弦函数合成：,其中，f=1/T是基频
3、，an和bn称为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅，c是常数,任何信号的传输都可理解为以傅立叶级数的形式传递,如每个傅立叶级数的信号分量被等量衰减，则合成后，振幅有所衰减，基本形状不变对任何已知的g(t)，可求得：,谐波数越高，传输质量越好,如传输ASCII字符b，即 01100010，可求得：,更进一步的细化可见：http:/,对指定的最高频率，传输带宽是有限的,比特率：数据传输速率 bps波特率：每秒可以得到多少个信号（每秒采样的次数）,如果信号分为2级：0 1，则波特率=比特率如果信号分为8级：0 1 2 3 4 5 6 7，则比特率=3波特率即一次信号变化（一次采样）可表示3bit如信号分
4、为V级，则比特率=log2V 波特率设波特率=比特率=b bps则：发送8 bit(1B)需要T=8/b秒，因而基频f=1/T=b/8 Hz如：截止频率为F则：最大的谐波次数n满足nf=F，即：n=F/f=8F/b,当截止频率为F为3000HZ时,Tnbm P89 Fig.2-2 传输速率与谐波的关系,波特率和比特率,两者数值上的差别在于每次采样的量化值,2、数据与信号,数据涉及的是事物的表现形式 数据有模拟数据和数字数据两种形式模拟数据是指在某个时间段产生的连续的值，例如声音和视频、温度和压力等都是时间的连续函数 数字数据是指产生的离散的值，例如文本信息和整数信号是数据的表示形式，或称数据的
5、电磁或电子编码，它使数据能以适当的形式在介质上传输信号有模拟信号和数字信号两种基本形式传输信号的信道也有模拟信道和数字信道之分,模拟传输和数字传输,模拟传输：是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输时，采用信号放大器放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中的噪声数字传输：是指数字数据的传输，关心信号的内容，可以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，采用转发器，可消除噪声的累积结论：长距离传输时，通常采用的是数字传输,数据传输以信号为载体,3、信道参数和名称解释,数据的传输速率、带宽信号的传播速率载波频率采样频率量化噪声、信噪比,香农(Sh
6、annon)定理,在噪声信道中，当带宽为W Hz，信噪比为S/N，则：最大数据传输速率(b/s)=Wlog2(1+S/N)很多情况下信噪比用分贝（dB）表示信噪比（dB）=10log10S/N 如：信噪比为30dB，则S/N=1000,举例：噪声信道中的传输速率,在噪声信道（话音信道）中，当带宽为3500Hz，信噪比为30dB（较为典型的电话信道），则：最大数据传输速率(b/s)=Wlog2(1+S/N)=3500log2(1+1000)35000(b/s)最大数据传输速率为35k bps，这是在噪声信道中的传输速率极限，实际上是不可能达到的,4、信道工作方式,单工通信：单向传输，如广播、电视
7、半双工：双方都可以发送或接收，但不能同时，即当一方发送时，另一方接收全双工：双方同时可以发送和接收信息,全双工则需要两条信道,5、数据传输,数字数据在模拟信道上传输 数字数据在数字信道上传输 模拟数据在数字信道上传输,（1）数字数据在模拟信道上传输,将数字数据调制成模拟信号进行传输，通常有三种基本的调制方式：1)调幅ASK(Amplitude Shift Keying)2)调频FSK(Frequency Shift Keying)3)调相PSK(Phase Shift Keying)目前广泛应用的调制技术是正交调相：QPSK(Quadrature Phase Shift Keying),调幅A
8、SK(Amplitude Shift Keying),用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制值 如用无信号表示0有信号表示1,调频FSK(Frequency Shift Keying),用载波附近的两个不同的频率来表示两个二进制值 如用信号频率为f表示0信号频率为2f表示1,调相PSK(Phase Shift Keying),用载波的相位移动来表示两个二进制值如用信号相位角为0表示0相位角为表示1,数字数据的调制举例,基带信号调幅调频调相,010011100,正交调相QPSK(Quadrature Phase Shift Keying),Tnbm P128 Fig.2-25(a)(b)(c),
9、（2）数字数据的数字信号传输,最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1常用的数字信号编码有：,不归零编码曼切斯特编码,不归零编码 NRZ（nonreturn-to zero）,正电平表示1，零电平表示0，并且在表示完一个码元后，电平毋需回到零缺点是存在发送方和接收方的同步问题,其实，用不归零制编码时，一个时钟周期可表示两个bit所以，不归零制编码是效率最高的编码但它不能携带时钟信号，且无法表示没有数据传输,曼切斯特编码（Manchester encoding）,bit中间有信号低-高跳变为1,bit中间有信号高-低跳变为0,采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一
10、个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输,二种编码方式的比较,不归零制编码的编码密度最高，接收端一次采样可得到一个bit，即波特率等于比特率，但不能携带时钟曼切斯特编码的编码密度最低，接收端二次采样才可得到一个bit，即波特率是比特率的两倍，但每个bit中都有信号跳变，即携带了时钟,（3）模拟数据在数字信道上传输,采用脉冲编码调制PCM技术（Pulse Code Modulation）PCM以采样定理为基础,采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息,采
11、样、量化和编码,话音信道的数据传输速率,对于每一个采样值还需要用一个（一位或多位的）二进制代码来表示，二进制代码的位数代表了采样值的量化精度，在主干上，对每一路话音信号通常采用8位二进制代码来表示一个采样值，那么，对话音信号进行PCM编码后所得到的数据传输速率为：,8 bit8000 次采样/秒64k b/s,6、异步通信与同步通信,在数字数据通信中，一个最基本的要求是发送端和接收端之间以某种方式保持位同步，只有保证了位同步才可能保证帧同步，所以接收端必须对它所接收的数据流中每一位进行正确的采样，才能确保数据接收的正确性，为此，通信双方必须遵循同一个通信规程，使用相同的位同步方式进行数据传输，
12、根据通信规程所定义的位同步方式，可分为异步通信和同步通信两大类,异步通信,异步通信是指发送方和接收方的采样时钟不是同一个，故名，是以字符为单位的数据传输，常用的是ASCII字符集数据块以字符为单位，每个字符都要附加1位起始位和1位停止位作标志，以标记字符的开始和结束此外，还要附加1位奇偶校验位,波特率字符长度,奇偶校验停止位长度,异步通信必须指定的四个参数：,同步通信,同步通信是指发送方和接收方的采样时钟是同一个。通常发送方在发送数据的编码中包含时钟，而接收方则从数据流中提取时钟用以采样，所以说双方所用的时钟是同一个,7、串行通信和并行通信,串行通信：数据按比特为单位，以时间为序并行通信：数据
13、按字符为单位，以时间为序,典型的串行接口RS-232C,RS-232-C是用于计算机或终端与Modem间的物理层协议，所谓物理层协议是定义接口的机械、电气、功能和过程特性,计算机或终端设备：DTE（data terminal equipment）调制解调器：DCE（data circuit-terminating equipment）,常用的串行接口,常用的串行接口有25pin和9pin两种,并行接口,打印机是常用的并行接口,2.3 传输介质,双绞线 同轴电缆 光缆无线传输,1、双绞线（twisted pair）,线间干扰较小、价格便宜、易于安装可传输模拟信号，也可传输数字信号 在电话系统的最
14、后一公里，用于传输模拟信号在计算机网络中，用于传输数字信号，常用8芯无屏蔽双绞线（UTP）通常的传输距离为100 m 如Cat3（10 Mbps）和Cat5（100 Mbps）,2、同轴电缆,50同轴电缆50同轴电缆用于数字信号传输，目前基本已被双绞线所替代75同轴电缆75同轴电缆用于模拟信号传输，目前主要用于电视信号的传输由于75同轴电缆的带宽极宽，所以，也被用于城域网，如有线通,常用的同轴电缆有两种：,3、光缆,多模光缆：信号通过光的折射在光纤中传输，距离2 km单模光缆：直线传输，距离10 km,光传输系统包括：光源、传输介质（光纤）、光检测器,光缆相对铜缆的特性,带宽高 距离远 损耗低
15、 重量轻无电磁干扰 防窃听端口设备价格高,4、无线传输,无线电传输 微波传输 红外线和毫米波 光波传输,根据波长分成不同的波段，依次为无线电、微波、红外、可见光、紫外等,用于通信的电磁波频段,f(Hz)100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024,f(Hz)104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,双绞线,TV,FM,AM,同轴电缆,微波通信,卫星通信,光通信,波长 30km 3km 30m 3m 30mm 3mm 30m 3m,Tnbm P10
16、1 Fig.2-11 用于通信的电磁波频段,地面无线通信模型,传输距离：天线的高度、类型和信号强度传输可靠性：障碍物传输正确性：气象条件,卫星通信模型,VSAT：甚小孔径卫星终端very small aperture satellite terminals,2.4 信道多路复用技术,频分复用时分复用波分复用 码分复用,共享信道,2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用,复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,信道,信道,A1,A2,B1,B2,C1,C2,复用,分用,(a)不使用复用技术,(b)使用复用技术,频分复用 FDM(Fr
17、equency Division Multiplexing),用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。,FDM图示,时分复用TDM(Time Division Multiplexing),时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用
18、同样的频带宽度。,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,时分复用可能会造成线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,统计时分复用 STDM(Statistic TDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,1550 nm 0
19、 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 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm,2.4.2 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing),波分复用就是光的频分复用。,8 2.5 Gb/s1310 nm,20 Gb/s,复用器,分用器,EDFA,120 km,光调制器,光解调器,2.4.3 码分复用 CDM(Code Division M
20、ultiplexing),常用的名词是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。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。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。每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。,课件制作：谢希仁,码片序列(chip sequence),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。例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列
21、 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。S 站的码片序列：(1 1 1+1+1 1+1+1),CDMA 的重要特点,每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。,码片序列的正交关系,令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,(2-3),码片序列的正交关系举例,令向量 S 为(1 1 1+1+1 1+1+1)，向量 T 为(1 1+1 1+1+1+1 1)。把向量 S 和
22、 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,正交关系的另一个重要特性,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m 个码片,t,S 站发送的信号 Sx,T 站发送的信号 Tx,总的发送信号 Sx+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,2.5 数字传输系统,PCM采样和量化T1线路E1线路SONET和SDH,主干线常采用多路复用技术以提高线路的利用率,PCM（Pulse Code Modul
23、ation）,脉冲编码调制PCM由于数字传输的明显优势，所以，主干线都采用数字传输，于是终端用户（如电话的语音信号）的模拟数据到达本地局后，都必须转换成数字数据，以适合主干线的传输PCM以采样定理为基础采样定理：如果在规定的时间间隔内，以有效信号f(t)最高频率的二倍或二倍以上的速率对该信号进行采样，则这些采样值中包含了全部原始信号信息,采样和量化,采样速率：8000次/秒电话系统的历史及其对整个世界的覆盖决定了计算机网络必须OVER在电话系统的承载网上根据人的听觉功能，电话系统中每个信道的频宽为4000 Hz，根据Nyquist定理，对于4000 Hz的信号，多于8000次/秒的采样是无意义
24、的采样值的量化一次采样值分成多少个等级，将决定量化后的数据量，如等分成256个等级，则必须用8 bit表示,采样和量化举例,T1线路 1.544M b/s,T1线路由24个多路复用信道组成,每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为7 bit 每个信道每次采样生成7bit数据位加1 bit控制位，即7b+1b 即每个信道每秒生成56K+8K的传输速率 24个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：8 bit x 24=192 bit，每帧间加一个bit，所以每帧为193 bit 193 bit x 8000次采样/秒=1544000 bit/s=1.544M b/s,北美、日本使用T1线路
25、,E1线路 2.048M b/s,E1线路由32个多路复用信道组成,每个信道采样8000次/秒，每次采样量化为8 bit，其中包括用于信令的bit32个多路复用信道的每次采样组成一个帧，即每帧为：8 bit x 32个信道=256 bit256 bit x 8000次采样/秒=2.048M b/s,欧洲、中国使用E1线路,多个T1或E1线路的复用,一次群：T1=1.544M b/s E1=2.048M b/s二次群：T2=T1 x 4+=6.312M b/s E2=E1 x 4+=8.848M b/s三次群：T3=T2 x 6+=44.736M b/s E3=E2 x 4+=34.304M b
26、/s四次群：T4=T3 x 7+=274.176M b/s E4=E3 x 4+=139.264M b/s,SONET/SDH,SONET（Synchronous Optical Network）同步光纤网 美国标准ANSI T1.105 106STS-1（Synchronous Transport Signal）同步传送信号（电信号）OC-1（Optical Carrier）光载波（光信号）采用每125 s送出一帧，每帧810 B，即810路电话。因此基本速率为 8b x 810B x 8000次采样/秒=51.84M b/sSDH（Synchronous Digital Hierarchy
27、）同步数字体系CCITT推荐的标准STM-1（Synchronous Transport Module）同步传送模块基本速率为155.52M b/s,SONET的OC级和STS级与SDH的STM级的比较,在40M b/s以下，北美的T1 T3和欧洲的E1 E3不同 在更高速率的标准上，SONET和SDH基本相同,Tnbm P146 Fig.2-37 SONET和SDH复用率,2.6 Internet 的本地接入,拨号接入ADSL接入HFC,拨号接入,家庭主机拨号上网示意图MODEM 调制解调器,通过电话线路访问远程服务器使用调制解调器将数字信号转换成模拟信号必须在某ISP注册成为合法用户服务器
28、端采用DHCP协议，为接入者分配一个临时的IP地址,MODEM 调制解调器,MODEM包括调制和解调两个功能调制方式有：调幅 调频 调相或是上述的组合常用的调制解调器接口有RS-232、RS-449,调制解调器，简称：MODEM MOdulation and DEModulation,MODEM 调制解调器（续）,载波：1000 2000 Hz的正弦波使用某种技术，让载波携带数字数据调幅、调频、调相，或其组合常用的协议V.32：6(1)b x 2400=14.4 kbps P129 Fig.2-26(b)V.34：12 x 2400=28.8 kbps 14 x 2400=33.6 kbpsV
29、.90：当ISP为数字接入时，终端用户上行速率为33.6 kbps，ISP的下行速率为56 kbps,ADSL接入,DSL 数字用户线路ADSL的接入模型DMT 离散多音调调制,ADSL：Asymmetric Digital Subscriber Line,DSL 数字用户线路,对称线路：HDSL：1.544 2.048 Mbps，2/4对双绞线，3 4 kmSDSL：1.544 2.048 Mbps，1对双绞线，3 km非对称线路：VDSL：上行13 52 Mbps，下行1.5 2.3 Mbps1对双绞线，0.xx kmADSL：上行64 k 1 Mbps，下行512 k 8 Mbps1对双
30、绞线，3 5 km,DSL：digital subscriber line使用常规的电话线路，本地局端的滤波器将限制带宽为4 kHz，但本地回路通常采用的是3类UTP，其实际带宽远远大于4 kHz如局端滤波器的限制策略为按需可调，则给定的带宽可增加 根据对上行、下行线路不同的带宽需求有多种不同的标准,ADSL的接入模型,Internet,用户侧,本地局,Ethernet 端口,滤波器,用户配线架,局端滤波器,交换机配线架,程控交换机,ADSL modem,ATU-R,ATU-C：ADSL Transmission UnitCentralATU-R：ADSL Transmission UnitR
31、emote,ADSL modem,ATU-C,A,B,F,G,E,D,C,DMT 离散多音调调制,DMT：Discrete MultiTone modulation 将本地回路的可用带宽（约1.1MHz)分成256个4312.5Hz的独立信道，信道0 给传统的电话，1 5保留，剩下的250个信道中一个给上行控制，一个给下行控制，其余全部用于数据传输，由提供者分配哪些给上行，哪些给下行,Tnbm P132 Fig.2-28 采用DMT调制的ADSL,常用的ADSL带宽分配,因为用户对Internet 的访问是不对称的，所以一般总是将80 90%的信道分配给下行，每个信道都是独立调制的,Inter
32、net over Cable,社区电视系统HFC 混合光纤电缆系统HFC中的频谱分配Cable MODEMADSL与HFC的比较,Internet over Cable 基于社区电视系统,社区电视系统,社区电视系统的特点覆盖面很大，系统之间用光缆连接传播单向电视信号的一个共享系统用同轴电缆作为传输介质，带宽可达750 MHz作为Internet 接入的可能性数据的双向传输用户端的Cable MODEM,HFC 混合光纤电缆系统,HFC：Hybrid Fiber Coax,Tnbm P171 Fig.2-47(a)混合光纤电缆系统,Downstream Data,HFC中的频谱分配,HFC保留了
33、原有的TV及FM的广播功能实现了数据的非对称双向传输，以作为Internet的接入,Upstream Data,FM,TV,TV,5 42,54 88 108,550,750 MHz,42 54M频段保留，凡高于此频段的都是下行信号，低于此段频的都是上行信号，其实，此频段是一隔离带,HFC中的频谱分配,每个下行信道占用6 8 MHz用模拟方式传输，常用的调制方法是QAM-64，对质量特别好的信道也可用QAM-256对6MHz信道，可用的数据传输率为36Mbps，去掉一些额外开销，一般为27Mbps,Cable MODEM,Cable MODEM与计算机的接口为Ethernet在一个Headen
34、d管理下的、并由Cable连接的、所有计算机组成的是一个共享网络,ADSL与HFC的比较,ADSL是基于电话系统每个用户直接与局端连接，属星型拓扑所承诺的速率是固定的，与当前的用户数无关允许用户选择自己的ISP如用户数增加或减少，操作简单，系统扩容投资相对较少数据安全性比较能得到保证由于ADSL（包括其它的xDSL都）与距离有关，所以有电话线的地方不一定都能提供ADSL服务,ADSL与HFC的比较（续）,HFC基于社区电视系统，属信道共享，但即使保留了原有的FM和TV频段，同轴电缆所提供用于数据传输的带宽还是很宽并非每个用户都与Headend直接连接，属树型拓扑标称的传输速率为10Mbps（Ethernet），但属共享信道所提供的服务必须与某个具体的ISP合作，使用DHCP协议如用户数增加或减少，操作相对复杂，系统扩容投资相对较大由于属共享信道，所以数据安全性必须采用密码技术才能得到保证与距离基本无关，凡有HFC的地方一般都能提供Internet服务,
