物理層專題培訓(xùn)市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

第2章物理層第1頁第1頁第2章物理層*2.1物理層基本概念*2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型 2.2.2相關(guān)信道幾種基本概念 2.2.3信道最高碼元傳播速率 2.2.4信道極限信息傳播速率2.3物理層下面?zhèn)鞑ッ襟w

2.3.1導(dǎo)向傳播媒體 2.3.2非導(dǎo)向傳播媒體第2頁第2頁第2章物理層（續(xù)）2.4模擬傳播與數(shù)字傳播

2.4.1模擬傳播系統(tǒng) *2.4.2調(diào)制解調(diào)器 *2.4.3數(shù)字傳播系統(tǒng)*2.5信道復(fù)用技術(shù)

2.5.1頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 2.5.2波分復(fù)用 2.5.3碼分復(fù)用*2.6同時(shí)光纖網(wǎng)SONET和同時(shí)數(shù)字系列SDH2.7物理層原則舉例

2.7.1EIA-232-E接口原則 2.7.2RS-449接口原則第3頁第3頁2.1物理層基本概念物理層主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體接口一些特性，即：機(jī)械特性指明接口所用接線器形狀和尺寸、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各條線上出現(xiàn)電壓范圍。功效特性指明某條線上出現(xiàn)某一電平電壓表示何種意義。規(guī)程特性指明對(duì)于不同功效各種可能事件出現(xiàn)次序。第4頁第4頁2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

傳播系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)接受信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接受器調(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(hào)模擬信號(hào)正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目系統(tǒng)傳播系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)第5頁第5頁幾種術(shù)語數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)送信息實(shí)體。信號(hào)(signal)——數(shù)據(jù)電氣或電磁表現(xiàn)?！澳M”(analogous)——連續(xù)改變?！皵?shù)字”(digital)——取值是離散數(shù)值。調(diào)制——把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)過程。解調(diào)——把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)過程。第6頁第6頁模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、信號(hào)模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字發(fā)送器第7頁第7頁2.2.2相關(guān)信號(hào)幾種基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個(gè)方向通信而沒有反方向交互。雙向交替通信（半雙工通信）——通信雙方都能夠發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接受)。雙向同時(shí)通信（全雙工通信）——通信雙方能夠同時(shí)發(fā)送和接受信息。第8頁第8頁基帶(baseband)信號(hào)和寬帶(broadband)信號(hào)

基帶信號(hào)就是將數(shù)字信號(hào)1或0直接用兩種不同電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。寬帶信號(hào)則是將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成頻分復(fù)用模擬信號(hào)。第9頁第9頁2.2.3信道最高碼元傳播速率任何實(shí)際信道都不是抱負(fù)，在傳播信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來各種干擾。

碼元傳播速率越高，或信號(hào)傳播距離越遠(yuǎn)，在信道輸出端波形失真就越嚴(yán)重。第10頁第10頁數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際信道失真不嚴(yán)重失真嚴(yán)重實(shí)際信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號(hào)波形輸出信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號(hào)波形實(shí)際信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號(hào)波形(失真嚴(yán)重)第11頁第11頁奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則每赫帶寬抱負(fù)低通信道最高碼元傳播速率是每秒

2

個(gè)碼元。Baud是波特，是碼元傳播速率單位，1波特為每秒傳送1個(gè)碼元。抱負(fù)低通信道最高碼元傳播速率=2WBaudW是抱負(fù)低通信道帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)第12頁第12頁另一個(gè)形式奈氏準(zhǔn)則每赫帶寬抱負(fù)低通信道最高碼元傳播速率是每秒

1

個(gè)碼元。抱負(fù)帶通特性信道最高碼元傳播速率=WBaudW是抱負(fù)帶通信道帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)不能通過第13頁第13頁要強(qiáng)調(diào)下列兩點(diǎn)實(shí)際信道所能傳輸最高碼元速率，要顯著地低于奈氏準(zhǔn)則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個(gè)不同概念。波特是碼元傳輸速率單位（每秒傳多少個(gè)碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。比特是信息量單位。第14頁第14頁要注意信息傳播速率“比特/秒”與碼元傳播速率“波特”在數(shù)量上卻有一定關(guān)系。若1個(gè)碼元只攜帶1bit信息量，則“比特/秒”和“波特”在數(shù)值上相等。若1個(gè)碼元攜帶nbit信息量，則MBaud碼元傳播速率所相應(yīng)信息傳播速率為M

nb/s。第15頁第15頁2.2.4信道極限信息傳播速率香農(nóng)(Shannon)用信息論理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾信道極限、無差錯(cuò)信息傳播速率。信道極限信息傳播速率C可表示為C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)平均功率；N為信道內(nèi)部高斯噪聲功率。

第16頁第16頁香農(nóng)公式表明信道帶寬或信道中信噪比越大，則信息極限傳播速率就越高。只要信息傳播速率低于信道極限信息傳播速率，就一定能夠找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)傳播。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不也許是這樣），則信道極限信息傳播速率

C

也就沒有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)到信息傳播速率要比香農(nóng)極限傳播速率低不少。第17頁第17頁奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式

在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中作用范圍

源系統(tǒng)傳播系統(tǒng)目系統(tǒng)傳播系統(tǒng)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接受器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)接受信號(hào)碼元傳播速率受奈氏準(zhǔn)則限制信息傳播速率受香農(nóng)公式限制第18頁第18頁2.3物理層下面?zhèn)鞑ッ襟w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)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動(dòng)無線電電信領(lǐng)域使用電磁波頻譜第19頁第19頁2.3.1導(dǎo)向傳播媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜第20頁第20頁各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜第21頁第21頁光線在光纖中折射折射角入射角包層（低折射率媒體）包層（低折射率媒體）纖芯（高折射率媒體）包層纖芯第22頁第22頁光纖工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳播方式是不斷地全反射第23頁第23頁輸入脈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第24頁第24頁2.3.2非導(dǎo)向傳播媒體無線傳播所使用頻段很廣。短波通信主要是靠電離層反射，但短波信道通信質(zhì)量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛(wèi)星通信

第25頁第25頁2.4模擬傳播與數(shù)字傳播

2.4.1模擬傳播系統(tǒng)

長(zhǎng)途干線最初采用頻分復(fù)用FDM傳播方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)當(dāng)前我國(guó)長(zhǎng)途通信線路已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，因而現(xiàn)在模擬通信電路就只剩余從用戶電話機(jī)到市話互換機(jī)之間這一段幾公里長(zhǎng)用戶線上。第26頁第26頁2.4.2調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)通過模擬傳播系統(tǒng)后也許會(huì)出現(xiàn)差錯(cuò)。出現(xiàn)差錯(cuò)010010100還原后數(shù)據(jù)t接受到失真信號(hào)010011100t發(fā)送基帶信號(hào)t采樣時(shí)刻第27頁第27頁調(diào)制解調(diào)器作用調(diào)制解調(diào)器(modem)包括：調(diào)制器(MOdulator)：把要發(fā)送數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻率范圍在300~3400Hz之間模擬信號(hào)，以便在電話用戶線上傳送。解調(diào)器(DEModulator)：把電話用戶線上傳送來模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。本書中調(diào)制解調(diào)器是指使用在原則二線模擬話路（3.1kHz原則話路帶寬）上調(diào)制解調(diào)器。第28頁第28頁調(diào)制解調(diào)器作用（續(xù)）調(diào)制器主要作用就是個(gè)波形變換器，它把基帶數(shù)字信號(hào)波形變換成適合于模擬信道傳播波形解調(diào)器作用就是個(gè)波形辨認(rèn)器，它將通過調(diào)制器變換過模擬信號(hào)恢復(fù)成本來數(shù)字信號(hào)。若辨認(rèn)不正確，則產(chǎn)生誤碼。在調(diào)制解調(diào)器中還要有差錯(cuò)檢測(cè)和糾正設(shè)施。

第29頁第29頁幾種最基本調(diào)制辦法調(diào)制就是進(jìn)行波形變換（頻譜變換）。最基本二元制調(diào)制辦法有下列幾種：調(diào)幅(AM)：載波振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而改變。調(diào)頻(FM)：載波頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而改變。調(diào)相(PM)：載波初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而改變。

第30頁第30頁對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)幾種調(diào)制辦法010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相第31頁第31頁一個(gè)正交調(diào)制QAMQAM(QuadratureAmplitudeModulation)r(r,)可供選擇相位有12種，而對(duì)于每一個(gè)相位有1或2種振幅可供選擇。因?yàn)?bit編碼共有16種不同組合，因此這16個(gè)點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一個(gè)4bit編碼。若每一個(gè)碼元可表示比特?cái)?shù)越多，則在接受端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確辨認(rèn)每一個(gè)狀態(tài)就越困難。第32頁第32頁調(diào)制解調(diào)器速率當(dāng)前調(diào)制解調(diào)器信息傳播速率已很靠近于香農(nóng)信道容量極限了。要提升信息傳播速率，只能設(shè)法提升信噪比。在電話用戶線上，最大噪聲來自模擬到數(shù)字模數(shù)轉(zhuǎn)換所帶來量化噪聲。第33頁第33頁產(chǎn)生量化噪聲地方

（通過A/D改變地方）

A2/4A/DA/DD/AD/A數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)互換機(jī)1互換機(jī)2V.3433.6kb/s調(diào)制解調(diào)器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/s調(diào)制解調(diào)器產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲使用V.34調(diào)制解調(diào)器（33.6kb/s）

產(chǎn)生量化噪聲產(chǎn)生量化噪聲用戶環(huán)路模擬信號(hào)用戶環(huán)路模擬信號(hào)第34頁第34頁產(chǎn)生量化噪聲地方（續(xù)）

（通過A/D改變地方）

使用V.90調(diào)制解調(diào)器（56kb/s）

A2/4A/DA/D互換機(jī)因特網(wǎng)服務(wù)提供者V.9056kb/s調(diào)制解調(diào)器D/AV.9056kb/s調(diào)制解調(diào)器數(shù)字信號(hào)數(shù)字信號(hào)至因特網(wǎng)（數(shù)字信號(hào)）用戶環(huán)路模擬信號(hào)僅在此處產(chǎn)生量化噪聲僅在此處產(chǎn)生量化噪聲第35頁第35頁調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式數(shù)據(jù)通信可分為同時(shí)通信和異步通信兩大類：同時(shí)通信要求接受端時(shí)鐘頻率和發(fā)送端時(shí)鐘頻率一致。發(fā)送端發(fā)送連續(xù)比特流。異步通信時(shí)不要求接受端時(shí)鐘和發(fā)送端時(shí)鐘同時(shí)。發(fā)送端發(fā)送完一個(gè)字節(jié)后，可通過任意長(zhǎng)時(shí)間間隔再發(fā)送下一個(gè)字節(jié)。

異步通信通信開銷較大，但接受端可使用廉價(jià)、含有普通精度時(shí)鐘來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。第36頁第36頁2.4.3數(shù)字傳播系統(tǒng)現(xiàn)在數(shù)字傳播系統(tǒng)均采用脈碼調(diào)制PCM(PulseCodeModulation)體制。

采樣周期Tt信號(hào)t采樣1001001111000010t編碼t解碼t還原第37頁第37頁時(shí)分復(fù)用為了有效地利用傳播線路，可將多個(gè)話路PCM信號(hào)用時(shí)分復(fù)用TDM(TimeDivisionMultiplexing)辦法裝成時(shí)分復(fù)用幀，然后發(fā)送到線路上。中國(guó)采用歐洲體制，以E1為一次群。美國(guó)和日本等國(guó)采用北美體制，以T1為一次群。第38頁第38頁E1時(shí)分復(fù)用幀2.048Mb/s傳播線路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………時(shí)分復(fù)用幀TCH0CH1CH2…CH15CH16CH17CH30CH31CH0…8bitt時(shí)分復(fù)用幀時(shí)分復(fù)用幀T=125ms15個(gè)話路15個(gè)話路第39頁第39頁2.5信道復(fù)用技術(shù)2.5.1頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用頻分復(fù)用：全部用戶在一樣時(shí)間占用不同帶寬資源。時(shí)分復(fù)用：全部用戶在不同時(shí)間占用一樣頻帶寬度。第40頁第40頁頻分復(fù)用頻率時(shí)間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5第41頁第41頁時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第42頁第42頁時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第43頁第43頁時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第44頁第44頁時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀第45頁第45頁時(shí)分復(fù)用也許會(huì)造成線路資源浪費(fèi)

ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶第46頁第46頁統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

STDM用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用第47頁第47頁1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.5.2波分復(fù)用WDM波分復(fù)用就是光頻分復(fù)用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km第48頁第48頁2.5.3碼分復(fù)用CDM慣用名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)有很強(qiáng)抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)覺。每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短間隔，稱為碼片(chip)。

第49頁第49頁碼片序列(chipsequence)每個(gè)站被指派一個(gè)惟一mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列二進(jìn)制反碼。

比如，S站8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列11100100。S站碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)第50頁第50頁CDMA主要特點(diǎn)每個(gè)站分派碼片序列不但必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實(shí)用系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。第51頁第51頁碼片序列正交關(guān)系令向量S表示站S碼片向量，令T表示其它任何站碼片向量。兩個(gè)不同站碼片序列正交，就是向量S和T規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：(2-4)第52頁第52頁碼片序列正交關(guān)系舉例令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T各分量值代入(2-4)式就可看出這兩個(gè)碼片序列是正交。第53頁第53頁任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己規(guī)格化內(nèi)積都是1。一個(gè)碼片向量和該碼片反碼向量規(guī)格化內(nèi)積值是–1。正交關(guān)系另一個(gè)主要特性第54頁第54頁CDMA工作原理S站碼片序列S110ttttttm個(gè)碼片tS站發(fā)送信號(hào)SxT站發(fā)送信號(hào)Tx總發(fā)送信號(hào)Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端第55頁第55頁2.6同時(shí)光纖網(wǎng)SONET和同時(shí)數(shù)字系列SDH

舊數(shù)字傳播系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)。其中最主要是下列兩個(gè)方面：速率原則不統(tǒng)一。假如不對(duì)高次群數(shù)字傳播速率進(jìn)行原則化，國(guó)際范圍高速數(shù)據(jù)傳播就很難實(shí)現(xiàn)。

不是同時(shí)傳播。在過去相稱長(zhǎng)時(shí)間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國(guó)數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同時(shí)方式。

第56頁第56頁同時(shí)光纖網(wǎng)SONET同時(shí)光纖網(wǎng)SONET(SynchronousOpticalNetwork)各級(jí)時(shí)鐘都來自一個(gè)非常準(zhǔn)確主時(shí)鐘。第1級(jí)同時(shí)傳送信號(hào)STS-1(SynchronousTransportSignal)傳播速率是51.84Mb/s。光信號(hào)則稱為第1級(jí)光載波OC-1，OC表示OpticalCarrier。第57頁第57頁

同時(shí)數(shù)字系列SDH

ITU-T以美國(guó)家原則準(zhǔn)SONET為基礎(chǔ)，制定出國(guó)際原則同時(shí)數(shù)字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。普通可認(rèn)為SDH與SONET是同義詞。SDH基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級(jí)同時(shí)傳遞模塊(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相稱于SONET體系中OC-3速率。第58頁第58頁線路速率(Mb/s)SONET符號(hào)ITU-T符號(hào)表示線路速率慣用近似值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-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/sSONETOC級(jí)/STS級(jí)與SDHSTM級(jí)相應(yīng)關(guān)系第59頁第59頁SONET體系結(jié)構(gòu)光子層路徑層線路層段層線路光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復(fù)用器或分用器復(fù)用器或分用器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器段段段路徑第60頁第60頁SONET原則定義了四個(gè)光接口層

光子層(PhotonicLayer)處理跨越光纜比特傳送