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1、第 2 章 物理层,2.1 物理层的基本概念,物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。,2.1 物理层的基本概念,电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。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。过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,2.2 数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型,调制解调器,PC,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,几个术语,数据(data)运送消息的实体。信号(signa
2、l)数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。,几个术语,“模拟的”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。码元(code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。,2.2.2 有关信号的几个基本概念,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。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)。,2.2.2 有关信号的几个基本概念,双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和
3、接收信息。,基带(baseband)信号和带通(band pass)信号,基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。,几种最基本的调制方法,基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。,几种最基本的调制方法,最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。,对基带数字信号的几种调制方法,0,
4、1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,2.2.3 信道的极限容量,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。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。,数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别失真大，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,(2)信噪比,信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C=W log2(1+S/N)b/s W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。,香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪
5、比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要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无差错的传输。,香农公式表明,若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。,习题2-08,C=Wlog2（1+S/N）(b/s)W=3khz，C=64khz S/N=64.2dB 是个信噪比要求很高的信源,请注意,对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码
6、元携带更多比特的信息量。,举例说明(P43),有基带信号 若直接发送，则每个码元对应一个比特（1 b），传输速率：码元/秒=比特/秒,举例说明(P43),若每个码元对应3个比特（3 b），传输速率：码元/秒=3*（比特/秒）所以传输速率提高3倍1码元=3 比特 的原理？,举例说明(P43),1码元=3 比特 的原理将信号中的每3比特成一组则有000,001,010,011,100，101,110，111共8种组合则有8种不同的值所以 1码元可以代表3比特，有8种不同的值所以传输速率得到提高,习题2-07,因为4比特的不同组合有16个值所以1码元可以携带4比特的信息所以传输速率提高4倍,码元/秒
7、 和比特/秒的区别,根据编码的不同：1码元可以对应一个或者多个比特几个码元对应一个比特,码元,码(code)是信号元素与字符之间的事先约定好的转换在二进制编码中，1码元=1比特在复杂编码中，1码元对应多比特或者多码元对应1个比特,2.3 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,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016,100 102 104
8、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,2.3.1 导引型传输媒体,双绞线屏蔽双绞线 STP(Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair),2.3.1 导引型传输媒体,同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆光缆,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,光线在光纤中的折射,折射角,入射角,包层（低折射率的
9、媒体）,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层,纤芯,光纤的工作原理,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,多模光纤与单模光纤,多模光纤,2.3.2 非导引型传输媒体,无线传输所使用的频段很广。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。,2.3.2 非导引型传输媒体,微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信,无线局域网使用的 ISM 频段,26 83.5 125频带 MHz MHz MHz,频率 902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz GHz,+,(),2.4
10、 信道复用技术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。,+,A1,A2,B1,B2,C1,C2,A1,A2,B1,B2,C1,C2,共享信道,(a)使用单独的信道,(b)使用共享信道,复用,分用,频分复用,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）。,频率,时间,频带 1,频带 2,频带 3,频带 n,时分复用,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
11、帧中占用固定序号的时隙。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。,时分复用,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,周期性出现,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(Stati
12、stic 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 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
13、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 Multiplexing),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。,2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing),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)。,码片序列(
14、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。,码片序列(chip sequence),例如，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 11100100。码片序列中，1用+1表示，0用-1表示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。
15、,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 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。,正交关系的另一个重要特性,一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,CDMA 的工作原理,S 站的码片序列 S,1,1,0,t,
16、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,2-16,SA=（11311311）8=1 A发送1SB=（11311311）8=1 B发送0SC=（11311311）8=0 C无发送SD=（11311311）8=1 D发送1,2.6 宽带接入技术2.6.1 ADSL技术,ADSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1
17、 MHz。,2.6 宽带接入技术2.6.1 ADSL技术,ADSL 技术就把 04 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线,ADSL 的特点,上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。,ADSL 的特点,我国目前采用的方案是离散多音调 DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。,
