首都师范大学信息工程学院

1、计算机网络物理层首都师范大学信息工程学院刘羽2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽2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。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽3数据通信的基础知识数据通信系统的模型 传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机公用电话网调制解调

2、器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽4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。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽5模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器2006.1.

3、首都师范大学信息工程学院 刘羽6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。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽7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。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽8物理层下面的传输媒

4、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2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽9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

5、 UTP (Unshielded Twisted Pair) v同轴电缆50 同轴电缆75 同轴电缆v光缆 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽10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2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽11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2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽12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2006.

6、1.首都师范大学信息工程学院 刘羽13输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽14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 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽15模拟传输与数字传输 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电话机到市话交

7、换机之间的这一段几公里长的用户线上。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽16调制解调器 v数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。 出现差错010010 0100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽17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 3003400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。v这里的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.

8、1 kHz 的标准话路带宽）上的调制解调器。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽18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。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽19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

9、相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽20对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽21一种正交调制 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。 20

10、06.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽22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。2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽23数字传输系统 v现在的数字传输系统均采用脉码调制 PCM (Pulse Code Modulation)体制。 采样周期 Tt信号t采样1001001111000010t编码

11、t解码t还原2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽24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。2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽25E1 的时分复用帧 2.048 Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1时分复用帧T CH0 CH1 CH2 CH15 CH16 CH17 CH30 CH31

12、CH08 bitt时分复用帧时分复用帧T = 125 ms15 个话路15 个话路2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽26信道复用技术 v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。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽27频分复用 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 52006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽28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2006.1.首都师范

13、大学信息工程学院 刘羽29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2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽30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2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽31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2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽32时分复用可能会造成线路资源的

14、浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽33统计时分复用 STDM 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽34 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1

15、556 nm 7 1557 nm 波分复用 WDM v波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 km2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽35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)。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽36码片序列(chip seq

16、uence) 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码。 v例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。vS 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽37CDMA 的重要特点v每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。v在实用的系统中是使用伪随机码序列。 2006.1.首都师范大学信

17、息工程学院 刘羽38CDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 SxT 站发送的信号 Tx总的发送信号 Sx + Tx规格化内积 S Sx规格化内积 S Tx数据码元比特发送端接收端2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽39同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH v旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面： v速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。 v不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。 2006.1.首都师范大学信息工

18、程学院 刘羽40同步光纤网 SONETv同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 v第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。v光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示Optical Carrier。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽41同步数字系列 SDH vITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。

19、v一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。vSDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽42线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520*OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS-9STM-3 622.080*OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC

20、-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s4876.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/sSONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽43SONET 的体系结构 光子层路径层线路层段层线路光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端复用器或分

21、用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽44SONET 标准定义了四个光接口层 v光子层(Photonic Layer)处理跨越光缆的比特传送。v段层(Section Layer)在光缆上传送 STS-N 帧。v线路层(Line Layer)负责路径层的同步和复用。v路径层(Path Layer) 处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。 2006.1.首都师范大学信息工程学院 刘羽45物理层标准举例EIA-232-E 接口标准vDTE (Data Terminal Equipment) 是数据终端设备，是具有一定的数据处理能力和发送、接收数据能力的设备。vDCE (Data Circuit-terminati