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1、1/60第第 2 章章 物理层物理层12/602.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 物理层的主要任务描述为确定与传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：输媒体的接口的一些特性，即： 机械特性机械特性 指明接口所用接线器的指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。定和锁定装置等等。23/602.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。线上出现的电压的范围。功能特性功能特性 指明某条线上出现的某指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。一
2、电平的电压表示何种意义。过程特性过程特性 指明对于不同功能的各指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。种可能事件的出现顺序。 34/602.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识2.2.1 数据通信系统的模型数据通信系统的模型 传输传输系统系统输输入入信信息息输输入入数数据据发送发送的信号的信号接收接收的信号的信号输输出出数数据据源点源点终点终点发送器发送器接收器接收器调制解调器调制解调器PC 公用电话网公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字比特流数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 输入输入汉字汉字显示显示汉字汉字数据通信系统源系统源系统目的系统目的系统传输系统传输
3、系统输输出出信信息息PC45/60几个术语几个术语数据数据(data)运送消息的实体。运送消息的实体。信号信号(signal)数据的电气的或电磁的表数据的电气的或电磁的表现。现。 “模拟的模拟的”(analogous)代表消息的参代表消息的参数的取值是连续的。数的取值是连续的。 56/60几个术语几个术语“模拟的模拟的”(analogous)代表消息的参代表消息的参数的取值是连续的。数的取值是连续的。 “数字的数字的”(digital)代表消息的参数代表消息的参数的取值是离散的。的取值是离散的。 码元码元(code)在使用时间域（或简称为在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不
4、同时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。离散数值的基本波形。67/60 2.2.2 有关信号的几个基本概念有关信号的几个基本概念单向通信单向通信（单工通信）（单工通信）只能只能有一个方向的通信而没有反方向有一个方向的通信而没有反方向的交互。的交互。双向交替通信双向交替通信（半双工通信）（半双工通信）通信的双方都可以发送信息，通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送但不能双方同时发送(当然也就不当然也就不能同时接收能同时接收)。78/60 2.2.2 有关信号的几个基本概念有关信号的几个基本概念双向同时通信双向同时通信（全双工通信）（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接通
5、信的双方可以同时发送和接收信息。收信息。 89/60基带基带(baseband)信号和信号和带通带通(band pass)信号信号 基带信号基带信号（即基本频带信号）（即基本频带信号）来自信来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字源的信号。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。或图像文件的数据信号都属于基带信号。910/60几种最基本的调制方法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
6、须对量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行基带信号进行调制调制(modulation)。 1011/60几种最基本的调制方法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最基本的二元制调制方法有以下几种：种：调幅调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信：载波的振幅随基带数字信号而变化。号而变化。 调频调频(FM)：载波的频率随基带数字信：载波的频率随基带数字信号而变化。号而变化。调相调相(PM) ：载波的初始相位随基带数：载波的初始相位随基带数字信号而变化字信号而变化。 1112/60对基带数字信号的几种调制方法对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号基带信号调幅调幅调频
7、调频调相调相1213/602.2.3 信道的极限容量信道的极限容量 任何实际的信道都不是理想的，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在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。的波形的失真就越严重。 1314/60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，但有失真，但可识别可识别失真大，失真大，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
8、噪声、干扰和失真）接收信号波形1415/60(2) 信噪比信噪比 信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C 可表达可表达为为 C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽（以为信道的带宽（以 Hz 为单位）；为单位）；S 为信道内所传信号的平均功率；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。为信道内部的高斯噪声功率。 1516/60香农公式表明香农公式表明 信道的带宽或信道中的信噪比越大，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。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只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一
9、定可以找到某信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。种办法来实现无差错的传输。 1617/60香农公式表明香农公式表明 若信道带宽若信道带宽 W 或信噪比或信噪比 S/N 没有上没有上限（当然实际信道不可能是这样的）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，则信道的极限信息传输速率 C 也也就没有上限。就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速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。率要比香农的极限传输速率低不少。 1718/60习题习题2-08C=Wlog2（1+S/N）(b/s)W=3khz，C=64khz S/N=64.2dB 是个
10、信噪比要求很高的信源是个信噪比要求很高的信源1819/60请注意请注意 对于频带宽度已确定的信道，如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。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这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。元携带更多比特的信息量。 1920/60举例说明举例说明(P43)有基带信号有基带信号 若直接发送，则每个码元对应一若直接发送，则每个码元对应一个比特（个比特（1 b），），传输速率：码元传输速率：码元/秒秒=比特比特
11、/秒秒2021/60举例说明举例说明(P43)若每个码元对应若每个码元对应3个比特（个比特（3 b），），传输速率：码元传输速率：码元/秒秒=3*（比特（比特 /秒）秒）所以传输速率提高所以传输速率提高3倍倍1码元码元=3 比特比特 的原理？的原理？2122/60举例说明举例说明(P43)1码元码元=3 比特比特 的原理的原理将信号中的每将信号中的每3比特成一组比特成一组则有则有000,001,010,011,100，101,110，111共共8种组合种组合则有则有8种不同的值种不同的值所以所以 1码元可以代表码元可以代表3比特，有比特，有8种不同种不同的值的值所以传输速率得到提高所以传输速率
12、得到提高2223/60习题习题2-07因为因为4比特的不同组合有比特的不同组合有16个值个值所以所以1码元可以携带码元可以携带4比特的信比特的信息息所以传输速率提高所以传输速率提高4倍倍2324/60码元码元/ 秒秒 和比特和比特/秒的区别秒的区别根据编码的不同：根据编码的不同：1码元可以对应一个或者多个比码元可以对应一个或者多个比特特几个码元对应一个比特几个码元对应一个比特2425/60码元码元码码(code)是信号元素与字符之是信号元素与字符之间的事先约定好的转换间的事先约定好的转换在二进制编码中，在二进制编码中，1码元码元=1比比特特在复杂编码中，在复杂编码中，1码元对应多比码元对应多比
13、特或者多码元对应特或者多码元对应1个比特个比特2526/602.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体无线电无线电微波微波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线X射线射线 射线射线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆卫星卫星地面微波地面微波 调幅调幅无线电无线电 调频调频无线电无线电 海事海事无线电无线电光纤光纤电视电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018
14、1020 1022 1024 移动移动无线电无线电 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2627/602.3.1 导引型传输媒体导引型传输媒体双绞线双绞线屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 2728/602.3.1 导引型传输媒体导引型传输媒体同轴电缆同轴电缆50 同轴电缆同轴电缆75 同轴电缆同轴电缆光缆光缆 2829/60各种电缆各种电缆铜线铜线铜线铜线聚氯乙烯聚氯乙烯 套层套层聚氯乙烯聚氯乙烯套层套层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层
15、外导体屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘保护套层绝缘保护套层内导体内导体无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP同轴电缆同轴电缆2930/60光线在光纤中的折射光线在光纤中的折射 折射角折射角入射角入射角 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 纤芯纤芯（高折射率的媒体）（高折射率的媒体） 包层包层纤纤芯芯3031/60光纤的工作原理光纤的工作原理高折射率高折射率( (纤芯纤芯) )低折射率低折射率( (包层包层) )光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射3132/60输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲
16、单模光纤单模光纤多模光纤与单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤3233/602.3.2 非导引型传输媒体非导引型传输媒体 无线传输所使用的频段很广。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射，但短波信道的通信质量较差。差。3334/602.3.2 非导引型传输媒体非导引型传输媒体 微波在空间主要是直线传播。微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信地面微波接力通信卫星通信卫星通信 3435/60 无线局域网使用的无线局域网使用的 ISM 频频段段 26 83.5 125频带频带 MHz MH
17、z MHz频率频率 MHz MHz GHz GHz GHz GHz3536/60+( )2.4 信道复用技术信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用、时分复用和统计时分复用 复用复用(multiplexing)是通信技术中的基是通信技术中的基本概念。本概念。 +A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a) 使用单独的信道(b) 使用共享信道复用分用3637/60频分复用频分复用用户在分配到一定的频带后，在通信过程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。中自始至终都占用这个频带。频分复用频分复用的所有用户在同样的时间占用不的所有用户
18、在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的同的带宽资源（请注意，这里的“带宽带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。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 n3738/60时分复用时分复用时分复用时分复用则是将时间划分为一段段等则是将时间划分为一段段等长的长的时分复用帧时分复用帧（TDM 帧）。每一帧）。每一个时分复用的用户在每一个个时分复用的用户在每一个 TDM 帧帧中占用固定序号的时隙。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时分复用的所有用户是在不同的时间占用占用同样的同样的频带宽度。频带宽度。3839/60时分复用时分复用TDM 信号
19、也称为信号也称为等时等时(isochronous)信号。信号。时分复用的所有用户是在不同的时间时分复用的所有用户是在不同的时间占用占用同样的同样的频带宽度。频带宽度。3940/60时分复用时分复用 频率时间时间B C DB C DB C DB C DAAAATDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧TDM 帧帧周期性出现4041/60时分复用可能会造成时分复用可能会造成线路资源的浪费线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用时分复用#2#3#4用户用户使用时分复用系统传送计算机数据时，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
20、性质，用户对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。分配到的子信道的利用率一般是不高的。 4142/60统计时分复用统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个个 STDM 帧帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用4243/60 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 15
21、56 nm 7 1557 nm 2.4.2 波分复用波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing) 波分复用就是光的频分复用。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4344/602.4.3 码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 常用的名词是常用的名词是码分多址码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。各用户使用经过特殊挑选的不同码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。型
22、，因此彼此不会造成干扰。4445/602.4.3 码分复用码分复用 CDM(Code Division Multiplexing) 这种系统发送的信号有很强的抗干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，不扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。易被敌人发现。 每一个比特时间划分为每一个比特时间划分为 m 个短的间个短的间隔，称为隔，称为码片码片(chip)。 4546/60码片序列码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个唯一的每个站被指派一个唯一的 m bit 码码片序列。片序列。如发送比特如发送比特 1，则发送自己的，则发送自己的 m bit 码片码片序
23、列。序列。如发送比特如发送比特 0，则发送该码片序列的二进，则发送该码片序列的二进制反码。制反码。 4647/60码片序列码片序列(chip sequence) 例如，例如，S 站的站的 8 bit 码片序列是码片序列是 00011011。发送比特发送比特 1 时，就发送序列时，就发送序列 00011011，发送比特发送比特 0 时，就发送序列时，就发送序列 11100100。码片序列中，码片序列中，1用用+1表示，表示，0用用-1表示表示S 站的码片序列：站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 4748/60CDMA 的重要特点的重要特点每个站分配的码片序列不仅必须各每个站
24、分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交不相同，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在实用的系统中是使用伪随机码序列。列。 4849/60码片序列的正交关系码片序列的正交关系 令向量令向量 S 表示站表示站 S 的码片向量，令的码片向量，令 T 表表示其他任何站的码片向量。示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和和T 的规格化的规格化内积内积(inner product)都是都是 0： (2-3)4950/60码片序列的正交关系举例码片序列的正交关系举例 令向量令向量 S 为为(1 1
25、 1 +1 +1 1 +1 +1)， 向量向量 T 为为 (1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)。 把向量把向量 S 和和 T 的各分量值代入的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交式就可看出这两个码片序列是正交的。的。 5051/605152/60任何一个码片向量和该码片向量自任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是己的规格化内积都是1 。正交关系的另一个重要特性正交关系的另一个重要特性 5253/605354/60一个码片向量和该码片反码的向量一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是的规格化内积值是 1。5455/60CDMA 的工作原理的工作原理 S 站的
26、码片序列站的码片序列 S110ttttttm 个码片个码片tS 站发送的信号站发送的信号 SxT 站发送的信号站发送的信号 Tx总的发送信号总的发送信号 Sx + Tx规格化内积规格化内积 S Sx规格化内积规格化内积 S Tx数据码元比特数据码元比特发发送送端端接接收收端端5556/602-16SA=（11311311）8=1 A发送发送1SB=（11311311）8=1 B发送发送0SC=（11311311）8=0 C无发送无发送SD=（11311311）8=1 D发送发送15657/602.6 宽带接入技术宽带接入技术2.6.1 ADSL技术技术ADSL 技术就是用数字技术对现有的技术就
27、是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。承载宽带业务。标准模拟电话信号的频带被限制在标准模拟电话信号的频带被限制在 3003400 Hz 的范围内，但用户线本身的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。5758/602.6 宽带接入技术宽带接入技术2.6.1 ADSL技术技术ADSL 技术就把技术就把 04 kHz 低端频谱留低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。用的高端频谱留给用户上网使用。DSL 就是数字用户线就是数字
28、用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。的缩写。ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线：非对称数字用户线5859/60ADSL 的特点的特点上行和下行带宽做成不对称的。上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到上行指从用户到 ISP，而下行指从，而下行指从 ISP 到用户。到用户。ADSL 在用户线（铜线）的两端各在用户线（铜线）的两端各安装一个安装一个 ADSL 调制解调器。调制解调器。5960/60ADSL 的特点的特点我国目前采用的方案是我国目前采用的方案是离散多音调离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。调制技术。这里的这里的“多音调多音调”就是就是“多载波多载波”或或“多子信道多子信道”的意思。的意思。60
