物理层.ppt

1第 3 章 物理层返回本章第 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 物理层标准举例返回本章2.1 物理层的基本概念v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： ›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›电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压 的范围›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›规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出 现顺序 返回本章几个术语v数据(data)——运送信息的实体v信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现 v“模拟的”(analogous)——连续变化的v“数字的”(digital)——取值是离散数值v调制——把数字信号转换为模拟信号的过程v解调——把模拟信号转换为数字信号的过程 返回本章2.2.2 有关信号的几个基本概念v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v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)。

v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 返回本章基带(baseband)信号和 宽带(broadband)信号 v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 v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 返回本章2.2.3 信道的最高码元传输速率 v任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生 各种失真以及带来多种干扰 v码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信 道的输出端的波形的失真就越严重 返回本章奈氏(Nyquist)准则 v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vBaud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒 传送 1 个码元 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 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) 返回本章另一种形式的奈氏准则 v每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz) W (Hz) 不能通过返回本章要强调以下两点 v实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于 奈氏准则给出上限数值。

v波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念 ›波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元） 码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号 速率›比特是信息量的单位 返回本章要注意 v信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数 量上却有一定的关系v若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波 特”在数值上相等v若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M  n b/s 返回本章2.2.4 信道的极限信息传输速率 v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v信道的极限信息传输速率 C 可表达为v C = W log2(1+S/N) b/s ›W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；›S 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 返回本章香农公式表明 v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 v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。

v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v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 返回本章奈氏准则和香农公式 在数据通信系统中的作用范围 源系统传输系统目的系统传输 系统源点终点发送器接收器 输 入 信 息输 出 信 息输 入 数 据输 出 数 据发送的 信号接收的 信号码元传输速率受 奈氏准则的限制 信息传输速率受 香农公式的限制返回本章返回本章2.3 物理层下面的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返回本章2.3.1 导向传输媒体v双绞线›屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)›无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) v同轴电缆›50  同轴电缆›75  同轴电缆v光缆 返回本章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同轴电缆返回本章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 （高折射率的媒体） 包层 纤 芯返回本章2.3.2 非导向传输媒体 v无线传输所使用的频段很广。

v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 差v微波在空间主要是直线传播 ›地面微波接力通信›卫星通信 返回本章返回本章2.4 模拟传输与数字传输2.4.1 模拟传输系统 v长途干线最初采用频分复用 FDM 的传输方式›FDM (Frequency Division Multiplexing)v目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模 拟通信电路就只剩下从用户机到市话交换机之间的 这一段几公里长的用户线上 返回本章调制解调器的作用v调制解调器(modem)包括：›调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号转换为频 率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电 话用户线上传送›解调器(DEModulator)：把用户线上传送来的模 拟信号转换为数字信号v本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（ 3.1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器 返回本章调制解调器的作用（续）v调制器的主要作用就是个波形变换器，它把基带数字信 号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 v解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换 过的模拟信号恢复成原来的数字信号。

›若识别不正确，则产生误码›在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施 返回本章几种最基本的调制方法 v调制就是进行波形变换（频谱变换） v最基本的二元制调制方法有以下几种：›调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化 ›调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化›调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化 返回本章一种正交调制 QAM vQAM (Quadrature Amplitude Modulation) r(r, )可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择 由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难 返回本章调制解调器的速率 v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 v要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比 v在的用户线上，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 返回本章调制解调器使用异步通信方式 v数据通信可分为同步通信和异步通信两大类：›同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。

发送端发送连续的比特流›异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步发送 端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送 下一个字节 v异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有 一般精度的时钟来进行数据通信返回本章时分复用 v为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用 时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)的方法装成时 分复用帧，然后发送到线路上v中国采用欧洲体制，以 E1 为一次群v美国和日本等国采用北美体制，以 T1 为一次群返回本章返回本章2.5 信道复用技术 v2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 ›频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 ›时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度 返回本章频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 5返回本章时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAA在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧…TDM 帧返回本章时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C D在 TDM 帧中的 位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧…TDM 帧返回本章时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC D在 TDM 帧中的 位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧…TDM 帧返回本章时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDD在 TDM 帧中的 位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧…TDM 帧返回本章1550 nm 0 1551 nm 11552 nm 21553 nm 31554 nm 41555 nm 51556 nm 61557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.5.2 波分复用 WDM v波分复用就是光的频分复用。

8  2.5 Gb/s 1310 nm20 Gb/s复 用 器分 用 器EDFA120 km返回本章2.5.3 码分复用 CDM v常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)v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v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 v每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip) 返回本章码片序列(chip sequence) v每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列›如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列›如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反。