ch2 16講 物理層講義

1、第二章 物理層(6學(xué)時(shí))物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： 機(jī)械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。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。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。規(guī)程特性(時(shí)序) 指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。 第1節(jié)通過(guò)理論分析得出信道上傳輸數(shù)據(jù)的本質(zhì)限制;2,3,4為3種傳輸介質(zhì)有導(dǎo)向的,無(wú)線的和衛(wèi)星.5,6,7為3個(gè)通信系統(tǒng)的例子-固定 系統(tǒng),移動(dòng) 系統(tǒng)和有線電視系統(tǒng).這3個(gè)系統(tǒng)的骨干網(wǎng)均已使用光纖, 但其組織方式不同, 且在” 最后一英里last mile”采用了不同

2、的技術(shù).本章重點(diǎn): 兩個(gè)限制, 調(diào)制解調(diào)器工作原理, ADSL工作原理, 編碼解碼器原理本章難點(diǎn): 兩個(gè)限制在各種處理”最后一英里”技術(shù)中的體現(xiàn)課時(shí)安排: 2學(xué)時(shí): 2.12.2; 2學(xué)時(shí): 2.32.5.3 ADSL; 2學(xué)時(shí): 2.5.3 WLL2.72.1 數(shù)據(jù)通信的理論基礎(chǔ)傅立葉分析周期為T的函數(shù)g(t), 其傅立葉級(jí)數(shù)為g(t)= f=1/T-基頻 ann次諧波的正弦振幅, c是常數(shù)利用傅立葉級(jí)數(shù)可以重構(gòu)一個(gè)函數(shù): 若周期T和振幅均已知, 可以通過(guò)上式求和得到原函數(shù)g(t), 即求得an,bn,c等參數(shù).有限帶寬信號(hào)利用傅立葉級(jí)數(shù)可以重構(gòu)一個(gè)函數(shù)的例子: 傳輸ASCII字符”b”,

3、且該字符被編碼成8位的字節(jié),位模式為01100010. 把位模式看作一個(gè)階躍函數(shù), 可得到an,bn,c.所有的傳輸設(shè)施對(duì)于不同傅立葉分量的振幅衰減并不相同而導(dǎo)致信號(hào)失真.傳輸過(guò)程中振幅不會(huì)明顯減弱的這一段頻率范圍稱為帶寬. 帶寬是傳輸介質(zhì)的物理特性,于材料,厚度和長(zhǎng)度有關(guān). 線可能具有1M的帶寬, 但可以人為引入濾波器來(lái)限制每個(gè)顧客的使用帶寬為語(yǔ)音級(jí)線路, 截至頻率為3kHz. 這樣可以增加用戶數(shù)量(頻分多路復(fù)用).假設(shè)位傳輸率為b位/秒, 則發(fā)送8位耗時(shí)8/b秒, 1次諧波的頻率為b/8Hz. 在語(yǔ)音級(jí)線路上最高通過(guò)的諧波次數(shù)為 3000/(b/8)=24000/b. 若數(shù)據(jù)傳輸速率b38

4、.4kbps, 則即使傳輸設(shè)備沒有任何噪聲, 也不可能傳輸任何二進(jìn)制信號(hào). 換句話說(shuō), 限制了帶寬, 也就限制了數(shù)據(jù)傳輸率. 當(dāng)然一些復(fù)雜的編碼方案使用了幾級(jí)電壓值, 從而可以獲得更高的數(shù)據(jù)傳輸率.信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率信道: 表示向一個(gè)方向傳送信息的媒體, 因此一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道. 信道帶寬H=f2-f1,其中f1是信道能通過(guò)的最低頻率,低通信道f1=0,f2是信道能通過(guò)的最高頻率,兩者都是由信道的物理特性決定的.數(shù)據(jù)(data)是運(yùn)送信息的實(shí)體; 信號(hào)(signal)是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn);一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元,碼元傳輸速率表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元

5、個(gè)數(shù)即波特(Baud).尼奎斯特(奈氏)準(zhǔn)則謝: 理想低通信道(無(wú)噪聲)的最高碼元傳輸速率=2H(Baud)碼元取兩個(gè)離散值,則表示攜帶1比特(bit)數(shù)據(jù)信息.碼元取4個(gè)離散值,則攜帶2比特?cái)?shù)據(jù)信息.碼元攜帶數(shù)據(jù)信息n= Log2V, V-信號(hào)包含V個(gè)離散級(jí)數(shù).單位時(shí)間內(nèi)在信道上傳送的信息量(比特?cái)?shù))稱為數(shù)據(jù)傳輸速率. 在一定的波特下提高數(shù)據(jù)傳輸速率的有效途徑是用一個(gè)碼元表示更多的比特?cái)?shù). 則數(shù)據(jù)速率公式為尼奎斯特定理(Nyquist): (理想低通信道(無(wú)噪聲)的)最大數(shù)據(jù)傳輸速率=2H log2V(bps)注意: 比特是信息量的單位, 而波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?數(shù)據(jù)傳輸速率“比特/秒”

6、和碼元傳輸速率”波特”是兩個(gè)不同的概念.僅當(dāng)碼元取兩個(gè)離散值時(shí)兩者才相等.香農(nóng)(Shannon)極限 (信道的極限數(shù)據(jù)傳輸速率(有噪聲信道): 最大數(shù)據(jù)傳輸速率=H log2(1+S/N) (bps)S/N-信噪比 (信號(hào)平均功率/噪聲平均功率) (dB)=10 lg S/N (dB分貝)例如信道帶寬為3000Hz,信噪比為30dB,則最大數(shù)據(jù)速率 根據(jù)香農(nóng)定理 得最大數(shù)據(jù)傳輸速率=3000 log2(1+1000) 30,000b/s 這是極限值,只有理論上的意義.實(shí)際上在3000Hz帶寬的 線上數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到9600b/s 就很不錯(cuò)了.香農(nóng)極限公式表明:信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則

7、信息的極限傳輸速率就越高。 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。 若信道帶寬 H 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率也就沒有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。 有導(dǎo)向的傳輸介質(zhì)磁介質(zhì)(不可小瞧)雙絞線3類UTP (b)5類UTP一條3類UTP 由4對(duì)雙絞線組合在塑料套內(nèi).承載16MHz信號(hào). 5類UTP承載100MHz.UTP(無(wú)屏蔽雙絞線 Unshielded Twisted Pair)同軸電纜(coaxial cable) 銅芯 絕緣材料 網(wǎng)狀導(dǎo)體 保護(hù)性塑料

8、外層50電纜用于數(shù)字傳輸, 75電纜用于有線電視.帶寬高(可達(dá)1GHz),抗噪好,廣泛用于有線電視.光纖光纖工作原理: 光源,光纖和檢測(cè)器(3關(guān)鍵部件), 折射, 反射, 全反射, 入射角及全反射鄰接值,折射角.多模光纖:不同的光束不同的反射角 和單模光纖: 直徑為幾個(gè)波長(zhǎng), 波導(dǎo), 光直線傳播而不反射, 昂貴但傳輸距離長(zhǎng).特性: 取材廣泛, 透明, 衰減小(100MHz多經(jīng)衰減頻段使用權(quán)分配方法: 選美比賽法;抓鬮;拍賣競(jìng)標(biāo)及ISM(Industrial, Scientific,Medical)法: 不分配, 管制功率I. 900MHz 太嘈雜,不可用; II.2.4GHz,均可用, 但受微

9、波爐和雷達(dá)影響,802.11,藍(lán)牙;III.5.7GHz,802.11a紅外線和毫米波光波傳輸通信衛(wèi)星地球同步衛(wèi)星(GEO Geostationary Earth Orbit) 微型站VAST(very small aperture terminals小孔終端) 1m天線 上行:19.2kbps,下行:512kbps,農(nóng)村中間軌道衛(wèi)星(MEO Medium Earth Orbit)低軌道衛(wèi)星(LEO Low Earth Orbit) Iridium(銥計(jì)劃) & Globalstar(移動(dòng) ) Teledesic(Internet)衛(wèi)星與光纖比較:光纖的高帶寬對(duì)單獨(dú)用戶不可及而衛(wèi)星可繞過(guò) 系統(tǒng)

10、獲得高帶寬;移動(dòng)通信更傾向于衛(wèi)星鏈路;廣播傳輸模式衛(wèi)星更適合;惡劣環(huán)境或地面設(shè)施很差,適于衛(wèi)星;獲得路權(quán)以鋪設(shè)光纖過(guò)于昂貴的地方;快速部署網(wǎng)絡(luò)(軍事)適于衛(wèi)星.25 公共交換 網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完全互連的網(wǎng)絡(luò) (b)中心化的交換 (c)兩級(jí)層次結(jié)構(gòu) 端局 長(zhǎng)途局 中心交換局 本地回路 長(zhǎng)途干線 很高帶寬的 模擬信號(hào) 數(shù)字信號(hào) 中心長(zhǎng)途干線 圖 中距離 的典型路徑本地回路-雙絞線進(jìn)入家庭和業(yè)務(wù)部門,模擬信號(hào)干線-通過(guò)光纖將交換局連接起來(lái),數(shù)字信號(hào)交換局- 呼叫從一條干線接入另一條干線 因特網(wǎng)服務(wù)提供商 2 中帶寬干線 共計(jì)1萬(wàn)條本地回路調(diào)制解調(diào)器 編碼解碼器 調(diào)制解調(diào)器群 高帶寬干線 系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信

11、示意圖 業(yè)中的政治學(xué)(略)本地回路:調(diào)制解調(diào)器,ADSL和無(wú)線傳輸線路的3個(gè)主要問(wèn)題: 衰減(且不同頻率衰減不一致),延遲畸變(不同頻率傳播速度不一致)和噪聲(不可避免的熱噪聲,串音,脈沖噪聲). 衰減和傳速均與f相關(guān),所以信號(hào)有一個(gè)較寬的頻率范圍是不現(xiàn)實(shí)的, 而方波恰好有一個(gè)很寬的頻譜,因而衰減和畸變均很嚴(yán)重基帶(DC)信號(hào)傳輸并不合適,除非在低速和短距離的情況.為繞過(guò)與DC信號(hào)相關(guān)的問(wèn)題, 線上采用AC信號(hào)傳輸.調(diào)制解調(diào)器:modemmodulator-demodulator,調(diào)制D/A波形變換器;解調(diào)A/D波形識(shí)別器,正弦載波1k2kHz,載波的調(diào)制方法分為調(diào)幅AM,調(diào)頻調(diào)制FM (移頻

12、鍵控)和相位調(diào)制PM3種基本方法.調(diào)制解調(diào)器位于計(jì)算機(jī)和 系統(tǒng)之間.尼奎斯特定理可知, 對(duì)于3kHz線路采樣率超過(guò)6kBaud無(wú)意義,考慮到撥號(hào)線路是非完美線路,一般調(diào)制解調(diào)器的采樣率為2400次/秒. 每秒鐘采樣的次數(shù)用波特計(jì)量, 每波特發(fā)送一個(gè)碼元. 因此一個(gè)n波特的線路傳輸n碼元/秒. 如果該碼元僅用0v,1v兩種電壓, 則位傳輸率為2400bps,若0,1,2,3v四種電壓,4800bps;類似的, 采用采用四種相移(QPSK 正交相移鍵控),同樣位傳輸率為波特率的2倍.帶寬,波特,碼元和位傳輸率的區(qū)別與聯(lián)系:帶寬最小衰減時(shí)通過(guò)介質(zhì)的頻率范圍,介質(zhì)物理特性,單位Hz.波特率每秒鐘的采樣

13、次數(shù),單位Baud碼元每個(gè)采樣發(fā)送的那一份信息. 波特率=碼元率位傳輸率是一條信道上每秒鐘發(fā)送的信息的數(shù)量, 位傳輸率=采用率每個(gè)采樣的位數(shù)(調(diào)制技術(shù)決定)調(diào)制解調(diào)器采用多種調(diào)制技術(shù)的組合,以達(dá)到每個(gè)波特傳輸盡可能多的位信息.Quadrature phase shift quadrature amplitude modulationKeying 正交相移鍵控 正交振幅調(diào)制 4振幅 4相移 2400波特線路上, 2*2.4=4.8kbps 4*2.4k=9.6kbps 6*2.4k=14.4kbps 星座圖(a)QPSK (b)QAM-16 (c)QAM-64星座模型相同的Modem才可以通話(

14、一般的,高速M(fèi)odem可模擬低速M(fèi)odem)Modem的糾錯(cuò)機(jī)制: TCM(Trellis Coded Modulation 格子架編碼調(diào)制)為了降低噪聲引起的錯(cuò)位,在每個(gè)采樣中增加一些額外的位做為奇偶校驗(yàn)位.工程原因,采用旋轉(zhuǎn)的星座模型,但轉(zhuǎn)與不轉(zhuǎn)信息傳輸能力相同.每碼元=4bit數(shù)據(jù)+1校驗(yàn)位 QAM-128 每碼元=6bit數(shù)據(jù)+1校驗(yàn)位(b) V.32 for 9600 bps. (c) V32 bis for 14,400 bps. Modem的其它星座模型: V.34 12bit數(shù)據(jù) 28.8kbps (2400Baud線路上)V.34 bis 14bit數(shù)據(jù) 33.6kbps實(shí)際

15、的有效速率可能高于,等于,低于標(biāo)定最大速率(數(shù)據(jù)預(yù)壓縮,低質(zhì)線路采用低檔速率等原因)標(biāo)準(zhǔn)的Modem為什么在33.6kbps停住了呢? 系統(tǒng)的香農(nóng)極限35kbps3.1klog2(1+1000),比35kbps更快的速度違反物理學(xué)(熱力學(xué))法則.35kbps-發(fā)起端和ISP之間有2個(gè)本地回路或兩個(gè)家庭用戶通過(guò)Modem和模擬線路連接.70kbps-發(fā)起端和ISP之間有1個(gè)本地回路(ISP直接采用數(shù)字傳輸)56kbpsModem-與尼奎斯特定理有關(guān), 信道帶寬4kHz(包括防護(hù)頻段),最大采樣率8000,在美國(guó),每個(gè)采樣的位數(shù)是8bit,其中1bit用于控制,因而用戶數(shù)據(jù)傳輸率為56kbps.

16、在歐洲,8*8k=64kbps.國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)選擇56kbps. Modem V.90ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line) 公司為了與有線電視和衛(wèi)星公司競(jìng)爭(zhēng)的產(chǎn)物. 寬帶(broadband): 其市場(chǎng)概念實(shí)際上超過(guò)了特定的技術(shù)概念, 是指 公司提供的一項(xiàng)帶寬超過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)的 服務(wù)帶寬的服務(wù).3類UTP用于DSL時(shí)帶寬與距離的關(guān)系A(chǔ)T&T 的劃分頻段方案: POTS(傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單 服務(wù) Plain Old Telephone Service),上行數(shù)據(jù)流,下行數(shù)據(jù)流.使用DMT的ADSL頻譜劃分方案 數(shù)字用戶線路訪問(wèn)復(fù)用器典型的ADSL設(shè)備配置圖DMT離散的多信

17、道調(diào)制Discrete MultiTone 1.1MHz分為256個(gè)4300Hz的獨(dú)立信道: 0POTS, 1-5隔離用, 2個(gè)控制, 32上行,其它下行.采樣率4kBaud(非傳統(tǒng)2.4kBaud), 調(diào)制方案V.34(15bit). 顧客處安裝NID(網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)備), NID之后安分離器(分POTS和ADSL Modem)無(wú)線本地回路WLL(Wireless Local Loop)產(chǎn)生原因: 與傳統(tǒng)的本地回路競(jìng)爭(zhēng).孿生WLL 1) MMDS(Multichannel Multipoint Distribution Service多信道多點(diǎn)分發(fā)服務(wù)), 2.5GHz頻段,10cm波長(zhǎng),198

18、MHz帶寬,支持用戶少 2) LMDS(Local MDS本地多點(diǎn)分發(fā)服務(wù)),30GHz頻段,毫米波,1.3GHz帶寬,支持用戶多, 類似于ADSL非對(duì)稱分配帶寬. 相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn): 2002年無(wú)線MAN-802.16 可支持方圓5km10萬(wàn)個(gè)客戶(1/3在線): 9000客戶*4扇區(qū)*3倍; 共享帶寬: 36Mbps下行,1Mbps上行. 設(shè)每個(gè)在線客戶每分鐘下載3個(gè)5kB大小的頁(yè)面, 則占帶寬2kbps=3*5k*8b/60s,36Mbps可支持18k個(gè)在線用戶, 考慮到延遲合理, 限定每個(gè)扇區(qū)支持在線用戶個(gè)數(shù)為9k個(gè). 1/3的用戶在線. LDMS可為用戶提供與有線電視相媲美的數(shù)據(jù)傳輸率, 且

19、價(jià)格更低 缺點(diǎn): 毫米波,直線傳輸, 受霧,雨水,樹葉影響. LMDS系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)干線和多路復(fù)用 FDM WDM TDM CDMFDM(frequency division multiplexing):用于模擬電路.首先,提升語(yǔ)音信道頻率,每條信道提升幅度不同; 然后, 組合這些信道. 中間加溝(防護(hù)頻段) 12個(gè)4kHz60108kHz構(gòu)成群,5個(gè)群構(gòu)成超群, 5個(gè)或10個(gè)超群構(gòu)成主群衰減因子WDM(wavelength):特殊的FDM,用于光纖.TDM(time):用于數(shù)字電路(數(shù)字傳輸系統(tǒng)). 端局用編碼解碼器(codec)完成多個(gè)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并組合輸出到一條數(shù)字干線上. Cod

20、ec采樣率8k次/秒-PCM(pulse code modulation脈沖編碼調(diào)制)構(gòu)成現(xiàn)代 系統(tǒng)的核心. 系統(tǒng)中幾乎所有的時(shí)間間隔均為125s的倍數(shù). Codec對(duì)輸入的模擬信道采用輪詢方式(時(shí)隙)采樣. PCM的兩種編碼方案:a.北美,日本采用T1線路(24合一). 24*8+1*8k =1.544Mbps 8=7data+1信令信息; 1成幀碼b.其它國(guó)家采用E1線路(30合一).32*8*8k=2.048Mbps 2個(gè)控制時(shí)隙SONET(synchronous optical network同步光網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一時(shí)鐘)和ATM(asynchronous transfer mode異步傳輸模式

21、)(略)CDM(code碼分復(fù)用)CDMA(code division multiple access碼分多址多路訪問(wèn))挑選特殊碼片chip,相互正交,用戶互不干擾.交換電路交換, 報(bào)文交換和分組交換.電路交換和分組交換的比較:項(xiàng)目電路交換分組交換項(xiàng)目電路交換分組交換建立呼叫連接要求不要求可用帶寬固定動(dòng)態(tài)專門的物理路徑是否可能擁塞的時(shí)間點(diǎn)建立呼叫連接時(shí)每個(gè)分組發(fā)送的時(shí)候每個(gè)分組沿相同路由是否可能浪費(fèi)的帶寬是否分組按序到達(dá)是否存儲(chǔ)-轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制否是一臺(tái)交換機(jī)崩潰的影響嚴(yán)重不嚴(yán)重透明性是否收費(fèi)分鐘分組 呼叫請(qǐng)求 傳播延遲 排隊(duì)延遲 尋找線路花費(fèi)時(shí)間 呼叫接受信號(hào)幾種交換技術(shù)中的事件序列 (a)電路交換

22、(b)報(bào)文交換(c)分組交換移動(dòng) 系統(tǒng)第一代移動(dòng) :模擬語(yǔ)音AMPS第二代移動(dòng) :數(shù)字語(yǔ)音 D-AMPS GSM CDMA第三代移動(dòng) :數(shù)字語(yǔ)音與數(shù)據(jù) WCDMA CDMA2000 3G標(biāo)準(zhǔn)AMPSAdvanced mobile phone system 高級(jí)移動(dòng) 系統(tǒng) 蜂窩(微蜂窩)單元cell,頻率復(fù)用,基站,軟硬移交,832信道,FDM,800MHz,40cm波長(zhǎng)D-AMPS18501910MHz,16cm波長(zhǎng),機(jī)型1/4波天線大小,FDM(信道)+TDM(數(shù)字語(yǔ)音,多用戶共享信道),用戶帶寬30kHzGSMGlobal system for mobile comm. 全球移動(dòng)通信系統(tǒng) 用戶帶寬200kHz, FDM+TDMCDMA- code division multiple access碼分多址(多路訪問(wèn)) 用戶共享整個(gè)1.25MHz帶寬,用戶多,抗干擾,功率低, 碼片chip,相互正交3G: 語(yǔ)音+電郵+視頻; 5MHz用戶帶寬, WCDMAWideband CDMA 愛立信; CDMA2000 Qualcomm(高通); 充滿