ch21-6讲物理层讲义详解

1、第二章 物理层 (6 学时 )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 (时序 )指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。第 1 节通过理论分析得出信道上传输数据的本质限制;2,3,4 为3 种传输介质 有导向的 ,无线的和卫星 .5,6,7 为 3个通信系统的例子 - 固定电话系统 ,移动电话系统和有线电视系统.这 3 个系统的骨干网均已使用光纤, 但其组织方式不同 , 且在 ”最后一英

2、里 last mile ”采用了不同的技术 .本章重点 : 两个限制 , 调制解调器工作原理, ADSL 工作原理 , 编码解码器原理本章难点 : 两个限制在各种处理”最后一英里 ”技术中的体现课时安排 : 2 学时 : 2.12.2; 2 学时 : 2.32.5.3 ADSL; 2 学时 : 2.5.3 WLL2.7 2.1 数据通信的理论基础傅立叶分析周期为 T 的函数 g(t), 其傅立叶级数为g(t)= 21 can sin( 2nft )bn cos(2nft )f=1/T- 基频 an n 次谐波的正弦振幅, c 是常数n 1n1利用傅立叶级数可以重构一个函数: 若周期 T 和振幅

3、均已知 , 可以通过上式求和得到原函数g(t), 即求得 an,bn,c 等参数 .有限带宽信号利用傅立叶级数可以重构一个函数的例子:传输 ASCII 字符 ”b”, 且该字符被编码成 8位的字节 ,位模式为 01100010. 把位模式看作一个阶跃函数,可得到 an,bn,c.1所有的传输设施对于不同傅立叶分量的振幅衰减并不相同而导致信号失真.传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频率范围称为带宽 .带宽是传输介质的物理特性,于材料 ,厚度和长度有关 . 电话线可能具有 1M的带宽 , 但可以人为引入滤波器来限制每个顾客的使用带宽为语音级线路 , 截至频率为 3kHz.这样可以增加用户数量(频分

4、多路复用 ).假设位传输率为b 位 /秒 , 则发送 8位耗时 8/b 秒 ,1 次谐波的频率为 b/8Hz. 在语音级线路上最高通过的谐波次数为3000/(b/8)=24000/b.若数据传输速率b38.4kbps,则即使传输设备没有任何噪声 ,也不可能传输任何 二进制信号 . 换句话说 , 限制了带宽 ,也就限制了数据传输率 . 当然一些复杂的编码方案使用了几级电压值 , 从而可以获得更高的数据传输率 .信道的最大数据传输率信道 : 表示向一个方向传送信息的媒体, 因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道.信道带宽 H=f2-f1, 其中 f1是信道能通过的最低频率, 低通信道

5、f1=0,f2是信道能通过的最高频率, 两者都是由信道的物理特性决定的.数据 (data)是运送信息的实体 ; 信号 (signal) 是数据的电气的或电磁的表现;一个数字脉冲称为一个 码元 , 码元传输速率 表示单位时间内通过信道传输的码元个数即波特 (Baud).尼奎斯特 ( 奈氏 ) 准则 谢:理想低通信道 ( 无噪声 ) 的最高码元传输速率=2H(Baud)码元取两个离散值 , 则表示携带 1 比特 (bit)数据信息 . 码元取 4个离散值 , 则携带 2 比特数据信息 . 码元携带数据信息n= Log2V, V- 信号包含 V 个离散级数 .单位时间内在信道上传送的信息量(比特数

6、)称为 数据传输速率 .在一定的波特下提高数据传输速率的有效途径是用一个码元表示更多的比特数. 则数据速率公式为尼奎斯特定理 (Nyquist): ( 理想低通信道 ( 无噪声 ) 的 ) 最大数据传输速率 =2H log 2V(bps)注意 : 比特是信息量的单位, 而波特是码元传输的速率单位;数据传输速率 “比特 /秒 ”和 码元传输速率 ”波特 ”是两个不同的概念.仅当码元取两个离散值时两者才相等.香农 (Shannon)极限 (信道的极限数据传输速率(有噪声信道 ):最大数据传输速率 =H log 2(1+S/N) (bps)S/N- 信噪比(信号平均功率 /噪声平均功率 ) (dB)

7、=10 lg S/N (dB分贝 )例如信道带宽为3000Hz, 信噪比为 30dB, 则最大数据速率根据香农定理得 最大数据传输速率 =3000log2(1+1000) 30,000b/s 这是极限值 ,只有理论上的意义.实际上在 3000Hz带宽的电话线上数据传输速率达到 9600b/s 就很不错了 .2香农极限公式表明: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。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。若信道带宽 H 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也就没有上限。实际信道上

8、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。2.2有导向的传输介质磁介质 (不可小瞧 )双绞线(a) 3 类 UTP(b)5 类 UTP一条 3 类 UTP 由 4 对双绞线组合在塑料套内.承载 16MHz 信号 . 5 类 UTP 承载 100MHz.UTP( 无屏蔽双绞线Unshielded Twisted Pair)同轴电缆 (coaxial cable)铜芯绝缘材料网状导体保护性塑料外层50电缆用于数字传输, 75电缆用于有线电视.带宽高 (可达 1GHz), 抗噪好 ,广泛用于有线电视.光纤光纤工作原理 : 光源 ,光纤和检测器(3 关键部件 ), 折射 , 反射 , 全反射

9、 , 入射角及全反射邻接值,折射角 .多模光纤 : 不同的光束不同的反射角 和单模光纤 : 直径为几个波长 , 波导 , 光直线传播而不反射 , 昂贵但传输距离长 .特性 : 取材广泛 , 透明 , 衰减小 (100MHz多经衰减频段使用权分配方法: 选美比赛法 ;抓阄 ;拍卖竞标及ISM(Industrial,Scientific,Medical) 法 : 不分配 , 管制功率 I. 900MHz太嘈杂 ,不可用 ; II.2.4GHz, 均可用 , 但受微波炉和雷达影响,802.11,蓝牙 ;III.5.7GHz,802.11a红外线和毫米波4光波传输2.4通信卫星地球同步卫星(GEO G

10、eostationary Earth Orbit)微型站 VAST( very small aperture terminals 小孔终端 ) 1m 天线上行:19.2kbps,下行 :512kbps,农村中间轨道卫星(MEO Medium Earth Orbit)低轨道卫星 (LEO Low Earth Orbit)Iridium( 铱计划 ) & Globalstar( 移动电话 ) Teledesic(Internet)卫星与光纤比较:光纤的高带宽对单独用户不可及而卫星可绕过电话系统获得高带宽;移动通信更倾向于卫星链路;广播传输模式卫星更适合;恶劣环境或地面设施很差, 适于卫星 ;获得路

11、权以铺设光纤过于昂贵的地方;快速部署网络 (军事 )适于卫星 .2 5 公共交换电话网络电话系统的结构(a) 完全互连的网络 (b)中心化的交换 (c)两级层次结构端局长途局中心交换局本地回路长途干线很高带宽的模拟信号数字信号中心长途干线图 中距离电话的典型路径本地回路 - 双绞线进入家庭和业务部门,模拟信号干线 -通过光纤将交换局连接起来,数字信号交换局 - 电话呼叫从一条干线接入另一条干线因特网服务提供商2中带宽干线共计 1 万条本地回路调制解调器编码解码器调制解调器群高带宽干线电话系统数据通信示意图5电话业中的政治学(略 )本地回路 :调制解调器 ,ADSL 和无线传输线路的3 个主要问

12、题 : 衰减 (且不同频率衰减不一致),延迟畸变 (不同频率传播速度不一致)和噪声(不可避免的热噪声,串音 ,脉冲噪声 ). 衰减和传速均与f 相关 ,所以信号有一个较宽的频率范围是不现实的 , 而方波恰好有一个很宽的频谱,因而衰减和畸变均很严重基带 (DC) 信号传输并不合适,除非在低速和短距离的情况.为绕过与 DC 信号相关的问题,电话线上采用AC 信号传输 .调制解调器 :modem modulator-demodulator, 调制 D/A 波形变换器 ;解调 A/D 波形识别器 ,正弦载波 1k2kHz, 载波的调制方法分为调幅AM, 调频调制FM ( 移频键控 )和相位调制PM3

13、种基本方法 .基带信号010011100调幅调频调相调制解调器位于计算机和电话系统之间.尼奎斯特定理可知 , 对于 3kHz 线路采样率超过6kBaud 无意义 ,考虑到拨号线路是非完美线路,一般调制解调器的采样率为2400 次/秒. 每秒钟采样的次数用波特计量, 每波特发送一个码元. 因此一个 n 波特的线路传输n 码元/ 秒. 如果该码元仅用0v,1v 两种电压 , 则位传输率为 2400bps,若 0,1,2,3v 四种电压 ,4800bps;类似的 , 采用采用四种相移(QPSK 正交相移键控 ),同样位传输率为波特率的2 倍.带宽 ,波特 ,码元和位传输率的区别与联系:带宽 最小衰减

14、时通过介质的频率范围,介质物理特性 ,单位 Hz.波特率 每秒钟的采样次数,单位 Baud码元 每个采样发送的那一份信息.波特率 =码元率位传输率 是一条信道上每秒钟发送的信息的数量,位传输率 =采用率每个采样的位数(调制技术决定)调制解调器采用多种调制技术的组合,以达到每个波特传输尽可能多的位信息.Quadrature phase shiftquadrature amplitude modulationKeying正交相移键控正交振幅调制4振幅4相移2400 波特线路上, 2*2.4=4.8kbps4*2.4k=9.6kbps6*2.4k=14.4kbps星座图 (a)QPSK (b)QAM

15、-16 (c)QAM-64星座模型相同的Modem 才可以通话 (一般的 ,高速 Modem 可模拟低速Modem)Modem 的纠错机制 : TCM(Trellis Coded Modulation格子架编码调制)为了降低噪声引起的错位,在每个采样中增加一些额外的位做为奇偶校验位.工程原因 ,采用旋转的星座模型,但转与不转信息传输能力相同.6每码元 =4bit 数据 +1 校验位QAM-128每码元 =6bit 数据 +1 校验位(b) V.32 for 9600 bps. (c) V32 bis for 14,400 bps.电话 Modem 的其它星座模型 :V.34 12bit 数据

16、28.8kbps(2400Baud 线路上 )V.34 bis 14bit 数据 33.6kbps实际的有效速率可能高于,等于 ,低于标定最大速率(数据预压缩 ,低质线路采用低档速率等原因 )标准的 Modem 为什么在33.6kbps 停住了呢 ?使用 V.34调制解调器（33.6 kb/s ）交换机 1产生量化噪声交换机 2产生量化噪声用户环路A/DD/A用户环路BA模拟信号模拟信号D/A数字信号A/D2/44/2V.3433.6 kb/sA/D数字信号D/AV.34 33.6 kb/s调制解调器调制解调器使用 V.90调制解调器（56 kb/s ）仅在此处仅在此处产生量化噪声交换机产生量

17、化噪声 因特网服务提供者用户环路A模拟信号A/DD/A2/4V.90 56 kb/sA/DV.90 56 kb/s调制解调器调制解调器电话系统的香农极限35kbps3.1klog 2(1+1000), 比 35kbps 更快的速度违反物理学 (热力学 )法则 .35kbps- 发起端和 ISP 之间有2 个本地回路或两个家庭用户通过Modem 和模拟线路连接 .70kbps- 发起端和 ISP 之间有1 个本地回路 (ISP 直接采用数字传输 )56kbpsModem- 与尼奎斯特定理有关, 电话信道带宽4kHz( 包括防护频段 ),最大采样率 8000,在美国 ,每个采样的位数是8bit,

18、其中 1bit 用于控制 ,因而用户数据传输率为56kbps. 在欧洲 ,8*8k=64kbps. 国际标准选择 56kbps.Modem V.90ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)电话公司为了与有线电视和卫星公司竞争的产物.宽带 (broadband): 其市场概念实际上超过了特定的技术概念, 是指电话公司提供的一项带宽超过了标准的电话服务带宽的服务 .73 类 UTP 用于 DSL 时带宽与距离的关系AT&T的划分频段方案 : POTS(传统的简单电话服务Plain Old Telephone Service),上行数据流 ,下行数据流 .使用

19、 DMT 的 ADSL 频谱划分方案数字用户线路访问复用器典型的 ADSL 设备配置图DMT 离散的多信道调制Discrete MultiTone1.1MHz 分为 256 个 4300Hz 的独立信道 : 0POTS, 1-5 隔离用 , 2 个控制 , 32 上行 ,其它下行 .采样率 4kBaud( 非传统 2.4kBaud), 调制方案 V.34(15bit). 顾客处安装 NID( 网络接口设备 ), NID 之后安分离器 (分 POTS 和 ADSL Modem)无线本地回路WLL(Wireless Local Loop)产生原因 : 与传统的本地回路竞争.孪生 WLL1) MMD

20、S(Multichannel Multipoint Distribution Service多信道多点分发服务), 2.5GHz 频段 ,10cm 波长 ,198MHz 带宽,支持用户少2) LMDS(Local MDS 本地多点分发服务 ),30GHz 频段 ,毫米波 ,1.3GHz 带宽 ,支持用户多 , 类似于 ADSL 非对称分配带宽 . 相应标准 : 2002 年无线 MAN-802.16可支持方圆 5km10 万个客户 (1/3 在线 ): 9000 客户 *4 扇区 *3 倍; 共享带宽 : 36Mbps 下行,1Mbps 上行 .设 每个在线客户每分钟下载3 个 5kB 大小的

21、页面 , 则占带宽 2kbps=3*5k*8b/60s,36Mbps 可支持 18k个在线用户 ,考虑到延迟合理 , 限定每个扇区支持在线用户个数为9k 个.1/3 的用户在线 .LDMS 可为用户提供与有线电视相媲美的数据传输率,且价格更低缺点: 毫米波 ,直线传输 , 受雾 ,雨水 ,树叶影响 .LMDS 系统的结构8干线和多路复用FDM WDM TDM CDMFDM(frequency division multiplexing):用于模拟电路.首先 ,提升语音信道频率,每条信道提升幅度不同 ; 然后 , 组合这些信道. 中间加沟 (防护频段 )12 个 4kHz60108kHz 构成群

22、 ,5 个群构成超群 ,5 个或 10 个超群构成主群衰减因子WDM(wavelength):特殊的 FDM, 用于光纤 .TDM(time): 用于数字电路(数字传输系统). 端局用编码解码器(codec)完成多个模拟信号转换为数字信号并组合输出到一条数字干线上. Codec 采样率 8k 次/秒 -PCM(pulse code modulation 脉冲编码调制 )构成现代电话系统的核心. 电话系统中几乎所有的时间间隔均为125 s 的倍数 . Codec对输入的模拟信道采用轮询方式 (时隙 )采样 .PCM 的两种编码方案:a.北美,日本采用 T1 线路 (24 合一 ). 24*8+1

23、*8k =1.544Mbps 8=7data+1 信令信息 ; 1成帧码b.其它国家采用E1 线路(30 合一).32*8*8k=2.048Mbps 2个控制时隙SONET( synchronous optical network 同步光网络统一时钟 )和 ATM( asynchronous transfer mode异步传输模式)( 略 )CDM(code 码分复用 ) CDMA( code division multiple access 码分多址 多路访问 )挑选特殊码片 chip,相互正交 ,用户互不干扰 .交换电路交换 , 报文交换和分组交换.电路交换和分组交换的比较 :项目电路交换

24、分组交换项目电路交换分组交换建立呼叫连接要求不要求可用带宽固定动态专门的物理路径是否可能拥塞的时间点建立呼叫连接时每个分组发送的时候每个分组沿相同路由是否可能浪费的带宽是否分组按序到达是否存储 -转发机制否是一台交换机崩溃的影响严重不严重透明性是否收费分钟分组9呼叫请求传播延迟排队延迟寻找线路花费时间呼叫接受信号几种交换技术中的事件序列(a)电路交换 (b)报文交换 (c) 分组交换2.5移动电话系统第一代移动电话:模拟语音AMPS第二代移动电话:数字语音D-AMPS GSM CDMA第三代移动电话:数字语音与数据WCDMA CDMA2000 3G标准AMPS Advanced mobile

25、phone system 高级移动电话系统蜂窝 (微蜂窝 )单元 cell,频率复用 ,基站 ,软硬移交 ,832 信道 ,FDM,800MHz,40cm 波长D-AMPS 18501910MHz,16cm 波长 ,机型 1/4 波天线大小 ,FDM( 信道 )+TDM( 数字语音 ,多用户共享信道 ),用户带宽 30kHzGSM Global system for mobile comm. 全球移动通信系统用户带宽 200kHz, FDM+TDMCDMA- code division multiple access 码分多址 (多路访问 ) 用户共享整个 1.25MHz 带宽 ,用户多 ,抗干扰 ,功率低 , 码片 chip,相互正交 3G: 语音 +电邮 +视频 ; 5MHz 用户带宽 , WCDMA Wideband CDMA 爱