1、第2章 物 理 层,本章学习要求: 掌握：物理层与物理层协议的基本概念 了解：数据通信的基本概念 了解：传输介质类型及主要特性 了解：无线与卫星通信技术的基本概念 掌握：数据编码的类型和基本方法 掌握：基带传输的基本概念 掌握：频带传输的基本概念 掌握：多路复用的分类与特点,本章内容,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 信道复用技术 2.5 宽带接入技术,2.1 物理层的基本概念,物理层考虑的是怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是具体的传输媒体。它作用是屏蔽掉各种传输媒体的差异,使其上的数据链路层感觉不到这些差异,以实现
2、透明传送比特流。,2.1 物理层的基本概念,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：指明某条线上出现在的某一电平的电压表示何种意义。 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。,2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型,调制解调器,PC,公用电话网,调制解调器,数字比特流,数字比特流,模拟信号,模拟信号,输入 汉字,显示 汉字,PC,几个术语,数据(data)运送消息的实体。 信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。 模
3、拟信号(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 数字信号(digital)代表消息的参数的取值是离散的。,电话传输系统,数字电视传输系统,使用调制解调器上网,10BASE-T以太网,模拟数据和数字数据都可以互相转换 因此我们有以下四种情况：,2.2.2 有关信道的几个基本概念,什么是信道？向某一方向传送信息的媒体，一条通信电路包含两条信道。 信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。 信道上传送的信号还有基带信号和带通信号之分。,信道的通信方式,（1）单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播和电视 （2）双向交替通信：又
4、称为半双工通信，即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)。 “对讲机”和“步话机” （3）双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。电话,基带信号和带通信号,基带信号（即基本频带信号）来自信源的信号。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。 ？调制的目的 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制。,调制,什么是调制？ 对信号源的信息进行处理，使其变为适合于信道传输形式的过程。 调制分类： 一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道
5、特性相适应。变换后仍是基带信号，这种调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此也称为编码。 另一种调制则需要载波进行调制，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，并转为模拟信号，经过载波调制后的信号称为带通信号，而使用载波的调制称为带通调制。,常用编码方法,非归零码NRZ 归零制 曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码,非归零码,非归零码（NRZ， nonreturn to zero）NRZ 码可以规定用负电平表示逻辑“0”，用正电平表示逻辑“1”；也可以有其他表示方法 NRZ码的优点：信息密度高， 缺点：是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步；
6、并有误码积累 请看下图到底有几个”1”（用高电平表示）?,非归零码,为保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步信号；,曼彻斯特编码技术,曼彻斯特编码技术 在每一位时间的中间，信号有一个跳变（“高低”或“低高”） 这个跳变既可作为同步信号，也可表示数据 由高到低的跳变用来表示“1”，由低到高的跳变用来表示“0”（也可以反过来定义） 也称为“自同步码”,差分曼彻斯特编码,差分曼彻斯特编码是曼彻斯特编码的一种变形。在这种编码方式中，每位的中间跳变只用于作为同步时钟信号，而用位的起始处有无跳变来区分“0”和“1”，若有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。,下图所示数字信号的
7、波形为哪种编码方法（ ） A、不归零编码 B、曼彻斯特编码 C、差分曼彻斯特编码 D、均不正确,B,带通调制原理: 设采用的载波信号为:U(t)=U sin (t +) 式中,U、和分别代表函数的幅度、频率和相位.用数字信号对这三个变量进行调制,分别称为调幅(AM),调频(FM)和调相(PM),实质是将基带数字信号的频谱变换为适合于在模拟信道上传输的频谱.调制后波形如下:,模拟传输与数字传输,2.2.3 信道的极限容量,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。,数字信号通过实际的信道,有失真，但可识别失真大，无法识别,实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真）
8、,发送信号波形,接收信号波形,信道带宽与信道容量,码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大,或传输媒体质量越差,在接收端的波形的失真就越严重。 限制码元在信道上的传输速率的因素两个: 信道能够通过的频率范围 信噪比,2.2.3 信道上的极限容量,奈奎斯特准则:在理想低通信道下,为避免码间串扰,码元的传输速率的上限。 什么是码元?码元指在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 若码元的传输速率超过了奈氏准则给出的数值，则将出现码元的相互干扰，以致在接收方无法正确判断发送方所发送的码元是1还是0,（1）一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要明
9、显地低于奈氏准则给出的这个上限数值。 （2）若要提高信息的传输速率，可以采用有效的编码技术，使每一个码元能够携带较多的信息量。,强调以下两点：,1948年，香农(CShannon)把奈奎斯特的定理进一步扩展到了信道受到随机噪声干扰的情况，即香农定理。香农认为，在有噪声的环境中，信道容量将与信噪功率比有关。信道的极限信息传输速率C可表达为C = W log2(1+S/N) bit/s (香农公式） 其中：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。,香农定理,香农定理,信道传输速率RC，一定存在一种编码，使信息源能以任意小的差错率通过信道进行传输；反
10、之是不可能的； 对于给定的C，若减小W，则必须增大S/N，即提高信号强度；反之，若有较大的传输带宽，则可用较小的信噪比。 香农公式表明，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。更重要的是，香农公式指出了：只要信息传输率低于信道的极限传输速率就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。,2.2.3 信道上的极限容量,对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能提高，并且码元的传输速率也达到了上限值，还有什么办法提高信息的传输速率？,用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量,例：如果我们使用模拟电话系统传输二进制信号，即使用话音级信道，带宽3000Hz，那么最大传输速率为600
11、0bps。现在大多数电话拨号上网用户采用的就是模拟电话系统，即利用3000Hz的话音级信道，来传输计算机信息，实际上现在一般拨号上网的速率都在14000bps以上，这又是怎么会事呢？,这是因为采用了特殊的编码方法，将V（一码元 携带的位数）的值增大，自然就提高了数据传输速率。,返回,2.3 物理层下面的传输媒体,计算机网络中采用的物理传输媒体可分为导向传输媒体和非导向传输媒体两类。 双绞线、同轴电缆和光纤是常用的三种导向媒体。 卫星、无线电通信、红外通信、激光通信以及微波通信传送信息的载体都属于非导向传输媒体,1双绞线 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来
12、就构成了双绞线。,2.3.1 导向传输媒体,各种电缆,无屏蔽双绞线 UTP,屏蔽双绞线 STP,2同轴电缆,同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成,（1）50 同轴电缆 50同轴电缆又称为基带同轴电缆。 （2）75同轴电缆 75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆。,按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为,光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 - 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。如果入射角足
13、够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射到纤芯，这个过程不断重复，光就能沿着光纤传输下去。,3光缆,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,光纤的工作原理,高折射率 (纤芯),低折射率 (包层),光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射,多模光纤与单模光纤,多模光纤,光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点： （1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。 （2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。 （3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。 （4
14、）体积小，重量轻。,光纤的优点,1无线传输 2地面微波接力通信 其主要特点是： 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大； 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高； 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快。,2.3.2 非导向传输媒体,相邻站之间必须直视，不能有障碍物，有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真； 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响； 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差； 对大量中继站的使用和维护要耗费一
15、定的人力和物力。,微波接力通信缺点,地面微波接力 (Microwave),两个地面站之间传送 距离：50 -100 km；频率：2G -40GHz 依赖于天气和频率 应用：长距离传输话音和电视信号；大厦之间LAN互连,地面站之间的直视线路,微波传送塔,地球同步卫星,与地面站相对固定位置 使用3个卫星覆盖全球,36,000 公里,地球,3卫星通信,卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。,3卫星通信,返回,2.4 信道复用技术,信道复用是为了提高信道的利用率，使多个信号沿同一信道传输而互相不干扰的一种技术。,信道复用技术,1.频分复用
16、FDM (Frequency Division Multiplexing),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。即频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。,1.频分复用 FDM,频分复用技术常用于模拟信号传输，如无线电广播、电视和载波电话等，必须与调制解调技术结合使用。,2.时分多路复用(TDM),时分多路复用(Time Division Multiplexing)是把时间分为若干个时间槽(Slot)，每个用户分得一个时间槽，在其占用的时间槽内，该用户可以独享信道的全部带宽。时间槽的划分有交替性和周期性。交替性是指不会有连续的时间槽被单个用户连续占用，而是大
17、家轮流占用各个时间槽；周期性是指时间槽的分配要有一定周期性地重复出现。,时分复用,频率,时间,B,C,D,B,C,D,B,C,D,B,C,D,周期性出现,时分复用可能会造成 线路资源的浪费,A,B,C,D,a,a,b,b,c,d,b,c,a,t,t,t,t,t,4 个时分复用帧,#1,a,c,b,c,d,时分复用,#2,#3,#4,用户,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性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。,统计时分复用STDM (Statistic TDM),在传统的时分多路复用系统中，每个低速信道固定地对应于高速信道(干线)的一个时间槽(Slot)，高速信道
18、速率等于各低速信道之和。不论每个低速信道是不是有数据要传输，分给它的时间槽是固定不变的，当它没有数据通信时，高速信道分给它的时间槽就浪费掉了。这就好比“大锅饭”一样，显然不利于提高通信干线的利用效率。统计时分多路复用能动态地分配时间槽，只把确实要传送数据的终端接入链路，这样，只有工作的终端才能够分到带宽，充分提高了总带宽的利用率。,统计时分复用 STDM (Statistic TDM),用户,A,B,C,D,a,b,c,d,t,t,t,t,t,3 个 STDM 帧,#1,a,c,b,a,b,b,c,a,c,d,#2,#3,统计时分复用,3.波分多路复用(WDM),波分多路复用是根据光波波长的不
19、同分隔复用的方法。不同波长的光波在通过透镜时会有不同的折射率，图表示了WDM的原理。,光也是一种电磁波，光的波长是频率的倒数，所以说WDM本质上也是频分多路复用。,在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用 DWDM；,码分复用CDM (Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因为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。,4.码分复用,码分多路复用,码分多路复用现在已广泛用于
20、移动通信系统，笔记本电脑和掌上电脑等移动性计算机的连网通信将会大量使用码分多路复用技术。 CDM的特点是频率和时间资源均为共享，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。 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。,码分复用的工作原理,在CDMA中，每一位时间又分成mbit时间片,称为码片(chip)。 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 例如，指派S 站的 8 bit 码片序列为00011011。 按惯例，将码片中的0写为-1，1写为+1 S 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1),码片序列的正交关系,令向量 S 表
21、示站 S 的码片向量，令 T 表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 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：,任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 1。,正交关系的重要特性,CDMA 的工作原理,假定所有的站发送码片序列都是同步的。 发送方如发送比特 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码。 各站收到的信号是所有站所发码片信号的线性叠加。 接收站将收到的信号与目标站的码片序列做内积运算，如果得到1，则收到的比特是1，如果得到-1，则收到的
22、比特是0。,码分复用的工作原理,信息量变成了原来的m倍,因此是一种扩频的通信形式,2.5 宽带接入技术,1.xDSL技术 DSL(数字用户线)技术是1989年为视频点播VOD业务开发的。现在已有十余种DSL技术问世，形成了xDSL。我国电信部门为用户提供的主要是ADSL技术。 ADSL：非对称数字用户线 ADSL可在现有电话线上提供最高达8Mbps的下行速率和最高640Kbps的上行速率，有效传输距离达35km。,ADSL最大的好处在于可以利用现有的电话网中的用户线，ADSL上网和打电话两不误 ADSL可以在普通电话线上提供三个通道：最低频段部分为04kHz的话音通道；中间频段部分为上行数据通
23、道；最高频段部分为下行数据通道。ADSL使网上视频服务成为可能： 带宽1.5Mbps(mpeg1)相当于VCD图象质量 带宽3-6Mbps(mpeg2)相当于DVD图象质量 缺点是目前价格仍然偏高,2.光纤同轴混合网（HFC）HFC网上是在有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入技术。HFC网除了可以传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互业务。 3.FFx技术（光纤到）光纤接入技术实际就是在接入网中全部或部分采用光纤传输介质，构成光纤用户环路,实现用户高性能宽带接入的一种方案。根据光网络单元ONU与用户的距离，光纤接入网OAN可分为若干种专门的传输结构。主要有：光纤到路边(FTTC)、光纤到大楼(FTTB)、光纤到远端节点(FTTR)、光纤到社区(FTTZ)、光纤到家庭(FTTH)和光纤到办公室(FTTO)等。,
