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1、第2章物理层2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.3物理层下面的传输媒体2.4模拟传输与数字传输2.5信道复用技术2.6同步光纤网SONET和同步数字系列SDH2.7物理层标准举例2.1物理层的基本概念n功能：在物理媒体上传输原始的数据比特流。n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：n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。n电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。n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。n规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。几个术语n数据(data)运送信息的实体。n信
2、号(signal)数据的电气的或电磁的表现。n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。模拟信号与数字信号tta)模拟信号b)数字信号 模拟信号：时间上连续，包含无穷多个值 数字信号：时间上离散，仅包含有限数目的预定值有关信号的几个基本概念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。单工（Simp
3、lex）半双工（HalfDuplex）全双工（FullDuplex）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。码元与波特率l码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元n波特率：每秒钟发送的码元数，或者说每秒钟信号（比如电压）变化的次数，单位为波特（baud)。码元1码元2码元3码元4码元5信号同步脉冲同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始奈氏(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。理
4、想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW 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)波特率与比特率n比特率：n指每秒钟能传送的二进制位数，单位为比特/秒（bps）。n两者的关系：n多元制：若1个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M nb/s。n设比特率为S，波特率为B，则S=Blog2N(bps),N为码元状态数信道的极限信息传输速率n信道容量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 C=Wlog2(1+S/N)b
5、/s其中：W 为信道的带宽（以Hz为单位）；S/N 为信噪比（以db为单位）。信道容量的计算n信道带宽4K，信噪比30db，n4K*log2(1+30)=2W香农公式表明*n信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。n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。n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。n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。误码率n误码率n传输出错的码元数占传输总码元数的比例。n设传输总码元数为N，传输出错的码元数为Ne，
6、则误码率为Pe=Ne/Nn根据误码率的大小选择合适的数据单元大小来传输。2.3传输媒体n导向传输媒体n非导向传输媒体导向传输媒体n双绞线n屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)n无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)n同轴电缆n50 同轴电缆n75 同轴电缆n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STPUTP以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音3类、5类、6类双绞线外没有任何附加屏蔽双绞线的应用n双绞线上既可以传输数字信号，又可以传输模拟信号；n在电话系
7、统和局域网中，双绞线得到了广泛的应用；n无屏蔽双绞线的应用远比屏蔽双绞线广。nQ:双绞线为什么要绞？nA：使干扰在一定程度上得以抵消，这样才能提高线路的传输特性。Cat.3/5/5e/6/7 UTP与带宽、支持的网络同轴电缆n基带同轴电缆的阻抗为50欧姆，通常用来传输数字信号，速率最高可达10Mbps。粗缆的传输距离为500m,细缆180mn宽带同轴电缆的阻抗为75欧姆，通常用来传输有线电视模拟信号。其带宽可达450MHz以上，通常利用FDM技术。铜芯铜芯绝缘层绝缘层外导体外导体屏蔽层屏蔽层保护套保护套光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒
8、体）包层纤芯多模光纤的缺点nts为光束的切换周期ABtstdB无法判断检测到的信号 t1t2t1t2123D光纤n常用波段：n集中在0.85微米、1.30微米和1.55微米附近。n数据编码：n在发送端利用电信号对光载波进行调制，调制的方法属于振幅键控法，称强度调制，通常以光信号的有和无来表示二进制的“1”和“0”。光纤n优点：n传输信号的频带宽，通信容量大。10Gbpsn信号衰减小，传输距离大。n抗干扰能力强，应用范围广。n抗化学腐蚀能力强，适用于一些特殊环境下布线。n安全性好，信息不易被窃取。n缺点：n成本高，连接时需要专用设备。非导向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
9、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)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 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非导向传输媒体n分类n微波、红外线和激光n它们都沿直线传播，不能穿透或绕开固体障碍物，需要在发送方和接收方之间存在一条视线通路，故有时统称为视线介质视线介质。n微波在空间主要是直线传播。n地面微波
10、接力通信n卫星通信 地面微波接力n两个地面站之间传送两个地面站之间传送n距离：距离：50-100 km地球地球地球地球地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路地面站之间的直视线路 微波传送塔微波传送塔微波传送塔微波传送塔优点：频率高、容量大、传输质量好、成本相对低。缺点：直视、气候影响、保密性差、需维护费用。地球同步卫星n无人值守的微波中转站n与地面站相对固定位置n使用3个卫星覆盖全球n传播时延大n36,000/300,000sn0.12s36,00036,000公里公里公里公里地球地球地球地球低轨系统LEOnLowEarthOrbitn距离地球700800KM，不同步，传
11、输时延短。nIridium系统（Motorola）n计划：77颗卫星，距离785KM，7个轨道；n实际：66颗卫星，6个轨道；（Dysorosium）n每颗卫星：48个波束，每个波束80个信道，总共有3840个全双工信道。n特点：单元和用户都是移动的n时间表：n1987年，提出新一代卫星移动通信系统；n1991年，启动铱星系统,1b+5b(VC)n1996年，第1颗卫星上天n1998年，系统投入运行，用户只有数万，5K手机+$3/minn1999年，申请破产保护，半年后彻底破产n2001年，25m收购，用户200K，2.4模拟传输与数字传输一、模拟传输系统模拟传输系统：在模拟传输系统中采用模拟
12、信号传送数据，该系统的特点是使用放大器来补偿信号在传输过程中的衰减。数字传输系统：在数字传输系统中既可采用数字信号、也可采用模拟信号传送数据。该系统的特点是在传输介质中插入转发器（Repeater，或叫中继器）以补偿传输过程中信号的衰耗和抑止干扰。基带传输vs.宽带传输n数据编码（调制）：就是将数据转换为适合于在信道上传输的某种电信号形式(模拟或数字信号)。n数据编码方式n基带传输：n按照原始信号的固有频带传输。n宽带传输：n用基带数据信号对某个频率的载波进行调制，将其变换成适合于在某个频段上传输的模拟信号。连续波数字调制方法*n最基本的二元制调制方法有以下几种：n振幅键控(ASK)：n载波的
13、振幅随基带数字信号而变化。n频移键控(FSK)：n载波的频率随基带数字信号而变化。n相移键控(PSK)：n载波的初始相位随基带数字信号而变化。0110000+90+180+27011+90+900 0 0101+0+00 0 0000+270+2700 0 1111+180+1800 0 10 104-PSK4-PSK0 00 00 00 0PSKn数据率=信号速率xlog2NN：调制级数0 0o45o16-APSK的星座图90o180o270o135o315o225oAPSKn n使用振幅和相位的使用振幅和相位的1616种组合种组合调制解调器的作用n调制解调器(modem)包括：n调制器(M
14、Odulator)：把要发送的数字信号转换为频率范围在3003400Hz之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。n解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程调制解调器的速率n目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。n要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。n在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。PCMPCMnPCM:n模拟数据转换为数字信号来传输。n脉冲编码调制PulseCodeModulate。n三个步骤:采样、量化和编码。n采样
15、：n即按一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值。根据奈奎斯特定理：只要采样频率不低于有效信号最高频率或其带宽的两倍，则采样值包含了原始信号的全部信息.n如果语音数据限于4000Hz以下的频率，那么采用8000Hz的采样频率就足以使采样值包含该语音信号的完整特征。PCMn量化：n使采样值在取值上离散化。通常的做法是将原始信号的取值范围划分成若干个等级（通常为2n级），将每个采样值取整到离它最近的一个等级上。n编码：n将量化的的采样值用一定位数的二进制数来表示。n正码、反码和补码等。数字数据的数字信号编码n分类n单极型脉冲(电压有或无)n双极型脉冲(电压正或负)都可以用来表示2进制数。双极型脉冲可以有
16、效抑制直流分量。n常用的编码方式有：常用的编码方式有：n不归零编码n归零编码n曼彻斯特编码n差分曼彻斯特编码。数字数据的数字信号编码n不归零码在一个码元的全部时间内，电平保持恒定。n归零码在一个码元结束时电平总是回到零n曼彻斯特编码：每位中间有一个电平跳变，从高到低的跳变表示“1”，从低到高的跳变表示“0”。n差分曼彻斯特编码：曼彻斯特编码的一种变形。在这种编码方式中，每位的中间跳变只用于作为同步时钟信号，而用位的起始处有无跳变来区分“0”和“1”，若有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。数字数据的数字信号编码0 01 10 00 01 11 10 00 00 01 11 1 时钟时钟时钟时钟N
17、RZNRZManchesterManchester 差分差分差分差分ManchesterManchester不归零码和归零码*11111000t位值ttt单极NRZ单极RZ双极NRZ双极RZ2.5多路复用技术 复用多个信息源共享一个公共信道 为何要复用？DEMUX复用器复用器解复用器解复用器共享信道MUX2.5信道复用技术n频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。n时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。n波分复用：所有用户在同样的时间占用不同的光波资源n码分利用：所有用户在同样的时间占用不同的代码序列。FDMnFrequency Division Multiplexing
18、n当传输介质的可用带宽超过各路给定信号所需带宽的总和时，可以把多个信号调制在不同的载波频率上，从而在同一介质上实现同时传送多路信号，这就是频分多路复用。FDMFDM多路复用过程FDM多路复用过程FDM带宽分配例TDMnTDMnTimeDivisionMultiplexingn当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时，可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用，每一路信号在自己的时间片内独占信道传输，这就是时分多路复用。n分类n同步TDM和异步TDM。TDMT1信道n广泛用于北美和日本的电话系统中。n每秒8000次采样(帧)，一共24路信号，每路信号8位
19、(含1比特控制),每帧还有1同步比特。n数据速率：（24*8+1）*8000=1.544Mbps1224帧同步位各路数据125 ms125 msT1的多级复用64kbps1.544Mbps 24 DS-06.312Mbps4 DS-144.376Mbps 7 DS-2247.176Mbps 6 DS-324T1T2T3T40121631E1信道n用于北美和日本以外地区，包括中国。n每秒8000次采样(帧)，一共32路信号(其中2路作信令同步)，每路信号8位,每帧还有1同步比特。n速率为：8*32*8000=2.048Mbps125ms=32时隙=2.048Mbps帧同步信令信道30路话音数据信
20、道+2路控制信道波分复用WDMnWDM：nWavelengthDivisionMultiplexing，WDM）nFDM是应用于光纤信道的一个变例。n不同的信源使用不同波长的光波来传输数据，各路光波经过一个棱镜（或衍射光栅）合成一个光束在光纤干道上传输，在接收端利用相同的设备将各路光波分开。WDMF2F1F3光谱光纤2光纤3光纤1共享光纤12 3采用无源设备，更可靠棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅F1F2共享光纤的共享光纤的光谱F3DWDMnDWDM：nDensityWaveDivisionMultiplexingn在1.55微米波长区同时用4、8、16或n个波长，在一对光纤（少数系统采用单光纤）构
21、成的光通信系统。n特点特点：n由DWDM光纤系统组成的光纤网可迅速增加网络容量，还具有透明性，可传送语音、数据、图像等多媒体信息。n由于多个光信道共用光放大器而显著降低了网络成本。n在用DWDM系统构成的光网络中，可采用光线路保护技术，以提高可靠性与可用性。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分复用WDM82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120kmEDFA:Erbium Doped
22、 Fiber Amplifier码分复用CDMAnCodeDivisionMultipleAccessn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每一个比特时间划分为m 个短的间隔，称为码片(chip)。n特点：特点：n由于原始数字信号的频率被扩展，这种通信方式又叫做扩频通信。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。码片序列(chipsequence)n每个站被指派一个惟一的mbit码片序列。n如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。n如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。n例如，S站的8bit码片序列是00011011。n发送比特
23、1时，就发送序列00011011，n发送比特0时，就发送序列11100100。nS站的码片序列：(111+1+11+1+1)码片序列的正交关系*n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)。n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。n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(innerproduct)都是0：CDMA标准之争nCMA2000nQualComm最早用于3G无线通信n通过专利保护垄断3G手机市场nWCDMAn日本和欧洲nQualComm拥有专利总数的30%nTD-SCDMAn中国花费数千亿RMB扶植练习：n
24、1.某一多媒体系统的语音采样频率为48KHz，量化级数为256，双声道，试问传输该语音数据至少需要多少的网络带宽？n2.5个信号使用同步TDM进行复用，每个信号每秒产生100个字节。假如分割单元为字节并且每一帧需要一个同步位。试计算它的帧速率和该链路上的位速率。2.6同步光纤网SONET和同步数字系列SDH*n旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：n速率标准不统一。n如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。n不是同步传输。n在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。同步光纤网SONETnSynchronousOp
25、ticalNetworkn各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。n采用铯原子钟，误差小于1*10-11秒。n第1级同步传送信号STS-1(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。nSTS-1帧长810字节（9行90列），帧速每秒8000个，每个字节的速率是64kbps，STS-n是STS-1的n倍；n大约对应于T3(44.376Mbps)/E3。n光信号则称为第1级光载波OC-1，OC表示OpticalCarrier。STS-1frameformatn810octets=9rowsof90octects810*8*8000=51.84Mbpsn27o
26、verheadoctectsn9 used for section overhead n18 used for line overhead 87x9=783octetsofpayloadtransmissionrateof51.84Mbps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(SynchronousDigitalHierarchy)。n一般可认为SDH与SONET是同义词。n不同点在于nSDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1 级同步传递模块(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相当于SONET体系中
27、的OC-3速率。nSONET多用于北美和日本,SDH多用于中国和欧洲.SDH/STM-nframeformatn270 x9=2430octets270*9*8*8000=155.52Mbpsn9x9=81octetssectionoverheadn2349octetspayload线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520*OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080*OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM
28、-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4876.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/sSONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系SONET的体系结构光子层路径层线路层段层线路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SONET标准定义了四个光接口层n光子层(PhotonicL
29、ayer)n处理跨越光缆的比特传送。n段层(SectionLayer)n在光缆上传送STS-N帧。n线路层(LineLayer)n负责路径层的同步和复用。n路径层(PathLayer)n处理路径端接设备PTE(PathTerminatingElement)之间的业务的传输。2.7物理层标准举例nDTE(DataTerminalEquipment)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(DataCircuit-terminatingEquipment)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
30、。EIA-232n机械特性：nEIA-232-C使用ISO2110关于插头座的标准。25根引脚分为上、下两排，分别有13和12根引脚，其编号分别规定为1至13和14至25，都是从左到右(当引脚指向人时)。n电气性能：n与V.28建议书一致，采用负逻辑电平。用-15V-5V表示逻辑“1”电平，用+5V+15V表示逻辑“0”电平.n当连接电缆线的长度不超过15m时，允许数据传输速率不超过20kbps。EIA-232n功能特性：n与CCITT的V.24建议书一致。它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚的作用。n规程特性：n规定了DTE和DCE之间信号时序的应答关系EIA-232标准的位置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EIA-232规程特性*EIA-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RS-449接口标准*nRS-232的缺点：n传输速率最高20kb/sn电缆最大距离15mnRS-449由3个标准组成。即：nRS-449nRS-423-A(200kb/s-10m)nRS-422-A(2Mb/s-60m)