第二章 物理層

1、 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC 機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入漢字顯示漢字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC 機(jī)最基本的二元制調(diào)制方法l調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。 l調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。l調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。 對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法 010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相正交振幅調(diào)制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供選擇的相位有 1

2、2 種，而對于每一種相位有 1 或2 種振幅可供選擇。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的組合，因此這 16 個點中的每個點可對應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。 舉例曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼：“1”： “0”：（電平由高到低跳變?yōu)?，由低到高跳變?yōu)?）差分曼徹斯特編碼：“1”： “0”：（碼元起始處電平無跳變?yōu)?，有跳變?yōu)?）物理媒體(介質(zhì))屏蔽雙絞線屏蔽雙絞線 (STP) (STP) 非屏蔽雙絞線非屏蔽雙絞線 (UTP)(UTP)雙絞線同軸電纜l基帶同軸電纜基帶同軸電纜 一條電纜只用于一個信道

3、，50，用于數(shù)字傳輸l寬帶同軸電纜寬帶同軸電纜 一條電纜同時傳輸不同頻率的多路模擬信號，75 ，用于模擬傳輸，300450MHz，100km，需要放大器銅芯銅芯絕緣層絕緣層外導(dǎo)體外導(dǎo)體屏蔽層屏蔽層保護(hù)套保護(hù)套玻璃封套玻璃封套塑料外套塑料外套玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯玻璃內(nèi)芯塑料外套塑料外套玻璃封套玻璃封套外殼外殼常見規(guī)格：玻璃內(nèi)芯常見規(guī)格：玻璃內(nèi)芯50um緩變型緩變型MMF 62.5um緩變緩變/增強(qiáng)型增強(qiáng)型MMF 8.3um突變型突變型SMF 玻璃包層玻璃包層125um典型的光纜光線在光纖中的折射 折射角入射角 包層（低折射率的媒體） 包層（低折射率的媒體） 纖芯（高折射率的媒體） 包層纖芯光

4、纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖BS基站基站 用戶計算機(jī)和終端用戶計算機(jī)和終端BS無線電 兩個地面站之間傳送兩個地面站之間傳送 距離：距離：50 -100 km地面微波接力地面微波接力與地面站相對固定位置與地面站相對固定位置使用使用3個衛(wèi)星覆蓋全球個衛(wèi)星覆蓋全球傳輸延遲時間長傳輸延遲時間長地球同步衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星物理層下面的傳輸媒體無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波 調(diào)幅無線電 調(diào)頻無線電 海事無線電光纖電視(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF U

5、HF 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 移動無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜物理層規(guī)程的四個特性1、機(jī)械特性: 指明接口所用接線器的開關(guān)和尺寸、引腳數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等；2、電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍、傳輸距離等；3、功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。4、過程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。四. 物理層

6、標(biāo)準(zhǔn)舉例1. EIA-232-E 接口標(biāo)準(zhǔn) DTE (Data Terminal Equipment) 是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備。 DCE (Data Circuit-terminating Equipment)是數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備，它在 DTE 和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。 DTE 通過 DCE 與通信傳輸線路相連 DTEDCEDCE串行比特傳輸信號線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設(shè)施通信設(shè)施DTE信號線與控制線用戶設(shè)施用戶環(huán)境EIA-232/V.24 的信號定義 (1) 保護(hù)地(2) 發(fā)送數(shù)據(jù)(3)

7、接收數(shù)據(jù)(4) 請求發(fā)送(5) 允許發(fā)送(6) DCE 就緒(7) 信號地(8) 載波檢測(20) DTE 就緒(22) 振鈴指示DTEDCE計算機(jī)或終端調(diào)制解調(diào)器兩個 DTE 通過 DCE進(jìn)行通信的例子 EIA-232/ V.24 接口調(diào)制解調(diào)器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/ V.24 接口調(diào)制解調(diào)器網(wǎng) 絡(luò)利用虛調(diào)制解調(diào)器與兩臺計算機(jī)相連 插頭插頭插座插座計算機(jī)虛調(diào)制解調(diào)器計算機(jī)（1）保護(hù)地（2）發(fā)送（3）接收（4）請求發(fā)送（5）允許發(fā)送（6）DCE 就緒（7）信號地（8）載波檢測（20）DTE 就緒（22）振鈴指示（1）保護(hù)地（2）發(fā)送（3）接收（4）請求發(fā)送（5

8、）允許發(fā)送（6）DCE 就緒（7）信號地（8）載波檢測（20）DTE 就緒（22）振鈴指示 RS-232C的的DTE-DTE連接連接 RS-449 接口標(biāo)準(zhǔn) RS-449 由 3 個標(biāo)準(zhǔn)組成。即： RS-449規(guī)定機(jī)械功能和過程 RS-423-A電氣特性，非平衡方式 RS-422-A 電氣特性，平衡方式傳輸距離：10米時為10Mbps,1Km時為100kbps RS-485 接口標(biāo)準(zhǔn) RS-485接口是采用平衡驅(qū)動器和差分接收器的組合，抗干擾性好。最高傳輸速率為10Mbps 。 RS-485接口的最大傳輸距離達(dá) 3000米，另外RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個收發(fā)器。即具有多站能

9、力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。 2.6 寬帶接入技術(shù)2.6.1 xDSL技術(shù) DSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案 xDSL 技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。 雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號的頻帶被限制在 3003400 kHz 的范圍內(nèi)，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。 xDSL 技術(shù)就把 04 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。 。 xDSL 的幾種類型

10、ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數(shù)字用戶線 HDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線 SDSL (Single-line DSL)：1 對線的數(shù)字用戶線 VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線 DSL ：ISDN 用戶線。 RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率）。 ADSL 的極限傳輸距離 ADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)

11、據(jù)傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。 例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 2.0 Mb/s 時可傳送 5.5 公里，但當(dāng)傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。 如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里 ADSL 的特點 上行和下行帶寬做成不對稱的。 上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。 ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調(diào)制解調(diào)器。 我國目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”

12、或“多子信道”的意思。DMT 技術(shù) DMT 調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個子信道用于上行信道，而 249 個子信道用于下行信道。 每個子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。DMT 技術(shù)的頻譜分布 頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道(kHz)401381100ADSL 的數(shù)據(jù)率 由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此 ADS

13、L 采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。 當(dāng) ADSL 啟動時，用戶線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質(zhì)量。 ADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。 通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。ADSL 的組成 ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線 電話分離器 區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至 ISP居民家庭基于 ADSL 的接入網(wǎng)端局或遠(yuǎn)端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM

14、 (DSL Access Multiplexer)接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)ATU-C（C 代表端局 Central Office）ATU-R（R 代表遠(yuǎn)端 Remote）電話分離器 PS (POTS Splitter) 第二代 ADSL ADSL2（G.992.3 和 G.992.4）ADSL2+（G.992.5） 通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2 要求至少應(yīng)支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 則將頻譜范圍從 1.1 MHz 擴(kuò)展至2.2 MHz，下行速率可達(dá) 16 Mb/s（最大傳輸速率可

15、達(dá)25 Mb/s），而上行速率可達(dá) 800 kb/s。 采用了無縫速率自適應(yīng)技術(shù) SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在運營中不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率。 改善了線路質(zhì)量評測和故障定位功能，這對提高網(wǎng)絡(luò)的運行維護(hù)水平具有非常重要的意義。2.6.2 光纖同軸混合網(wǎng)HFC (Hybrid Fiber Coax) HFC 網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。 HFC 網(wǎng)除可傳送 CATV 外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。 現(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對

16、電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸。而 HFC 網(wǎng)則需要對 CATV 網(wǎng)進(jìn)行改造。 HFC 的主要特點 (1) HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖 HFC 網(wǎng)將原 CATV 網(wǎng)中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術(shù)。 在模擬光纖中采用光的振幅調(diào)制 AM，這比使用數(shù)字光纖更為經(jīng)濟(jì)。 模擬光纖從頭端連接到光纖結(jié)點(fiber node)，即光分配結(jié)點 ODN (Optical Distribution Node)。在光纖結(jié)點光信號被轉(zhuǎn)換為電信號。在光纖結(jié)點以下就是同軸電纜。 (2) HFC 網(wǎng)采用結(jié)點體系結(jié)構(gòu) 同軸電纜頭端模擬光纖放大器引入線分路器光纖結(jié)點服務(wù)區(qū)服務(wù)區(qū)服務(wù)區(qū) HFC 網(wǎng)采用結(jié)點體系結(jié)構(gòu) 同軸

17、電纜光纖光纖結(jié)點頭端高帶寬光纖同軸電纜光纖HFC網(wǎng)(3) HFC 網(wǎng)具有比 CATV 網(wǎng)更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能 下行信道上行信道5 40 50 550 750 1000原有模擬電視數(shù)字信號頻率(MHz)保留(4) 每個家庭要安裝一個用戶接口盒 用戶接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三種連接，即： 使用同軸電纜連接到機(jī)頂盒(set-top box)，然后再連接到用戶的電視機(jī)。 使用雙絞線連接到用戶的電話機(jī)。 使用電纜調(diào)制解調(diào)器連接到用戶的計算機(jī)。電纜調(diào)制解調(diào)器(cable modem) 電纜調(diào)制解調(diào)器是為 HFC 網(wǎng)而使用的調(diào)制解調(diào)器。 電纜調(diào)制解調(diào)器最大的特點就是傳輸速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之間，最高可達(dá) 30 Mb/s，而上行速率一般為 0.22 Mb/s，最高可達(dá) 10 Mb/s。 電纜調(diào)制解調(diào)器比在普通電話線上使用的調(diào)制解調(diào)器要復(fù)雜得多，并且不是成對使用，而是只安裝在用戶端。 HFC