第二章物理层

1、物理层的基本概念2、信道的特点与有关概念3、传输媒体的特性4、模拟传输与数字传输5、信道复用技术6、同步光纤网SONET和同步数字系列SDH7、宽带接入技术第二章物理层第一节物理层的基本概念1、物理层功能

物理层实现数据设备与传输设备介质间的接口操作，完成以比特为传送单元的同步与传输。

物理连接（信号通路）的建立/拆除比特信号的编码，发送/接收，同步差错控制

含义：实质是屏蔽物理设备和传输媒体的种类差异。第一节物理层的基本概念2、物理层有关术语

数据线路：一对物理实体之间传输物理信号的数据通路。传输线路：由传输介质与信道设备组成。数据线路设备DCE：传输线路两端的端接设备，实现传输线路上的信号变换。（DataCircuitEquipment）数据终端设备DTE：数据线路两端的端接设备，即信源/信宿设备。（DataTerminalEquipment）第一节物理层的基本概念2、物理层有关术语DTEDCEDCEDTE传输线路数据线路第一节物理层的基本概念3、物理层接口协议与特性

物理层协议又称物理层规程，是DTE与DCE之间的接口协议。物理层的接口特性：

机械特性：接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目、锁定装置等的详细规定；电气特性：接口电缆的电压范围；（什么电压表示1或0）第一节物理层的基本概念3、物理层接口协议与特性

功能特性：对连接器上各芯线给出功能定义（某条线上出现的某一电平电压是何意义）。芯线分为：数据线、控制线、定时线、地线、辅助线；规程特性：对接口处传输信号所需的控制过程所做的规定。各芯线上信号变化的协调关系，包括各芯线电平状态的转移条件和状态转移过程的时序关系；第二节数据通信基础1、数据通信系统模型公用电话网PCModemModemPC源系统传输系统目的系统源点发送器传输系统接收器终点输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据输出信息第二节数据通信基础1、数据通信系统模型

源系统：源点、发送器；传输系统；目的系统：接收器、终点；一个数据通信系统可以划分为三个部分第二节数据通信基础1、数据通信系统模型

数据：运送信息的实体。信号：数据的电气的或电磁的表现。

数据与信号均可以是模拟的也可以是数字的。调制：数字信号转换为模拟信号。解调：模拟信号转换为数字信号。相关术语：数据与信号第二节数据通信基础1、数据通信系统模型

模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号和数字信号。模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号PCM编码器第二节数据通信基础1、数据通信系统模型数字数据数字信号数字发送器数字数据模拟信号调制器第二节数据通信基础2、信道有关的基本概念信道：表示向某一个方向传送信息的媒体。一条电路至少包含一条发送信道和一条接收信道。

单工通信：只能单向发送信息；半双工通信：某一时刻只能单向发送信息，不同时可双向通信；全双工通信：同时双向通信；通信双方信息交互的方式，主要有以下三种：第二节数据通信基础

模拟信号：连续的信号，传输模拟信号的信道为模拟信道；数字信号：离散的信号，传输数字信号的信道为数字信道；通常情况，可将信号分为以下两类：第二节数据通信基础上述信号传输对于不同信道需要进行模/数（A/D）转换信道上传送的信号还可分为：

基带（baseband）信号：数字信号1或0直接用不同的电压来表示；宽带（broadband）信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号；第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限1）数据传输速率

数据传输速率是描述数据传输系统的重要技术指标之一。通常，以每秒传输的二进制比特数来表示，单位为bps，或b/s。第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限1）数据传输速率

计算公式：S=1/TS为数据传输速率，T为发送每一比特所需要的时间。常用单位有：Kbps、Mbps、Gbps。例，T=0.104ms，S=9600bps。

1Kbps=103bps，1Mbps=103Kbps，

1Gbps=103Mbps第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限2）信道的最高码元传输速率

理想低通信道：信号的所有低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真地通过此信道。而频率超过此上限的所有高频分量都不能通过该信道。理想带通信道：频率在频带下限f1和上限f2之间的频率分量，能够不失真地通过此信道。而频率低于下限f1和高于上限f2的频率分量都不能通过该信道。第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限2）信道的最高码元传输速率

由于信道带宽限制和干扰的存在，任何信道都不是理想的。

1924年，奈奎斯特准则（Nyquist奈式准则）：理想低通信道下的最高码元传输速率为：

Rmax=2WBaud其中，W为理想低通信道的带宽，单位为赫。Baud，波特是码元传输速率单位，1波特为每秒传送1个码元。第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限2）信道的最高码元传输速率Nyquist奈式准则含义：每赫带宽的低通信道的最高码元传输速率为每秒2个码元。例如，一个带宽为3kHz的理想低通信道，其最高码元传输速率为6000Baud。若1码元可以携带3bit的信息量，则最高信息传输速率为18000b/s。第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限2）信道的最高码元传输速率

奈奎斯特准则推广：具有理想带通矩形特性信道的最高码元传输速率为：

R’max=WBaud其中，W为理想带通信道的带宽，单位为赫。Baud，波特是码元传输速率单位。其含义：每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限2）信道速率的极限值

香农（Shannon）定律：1948年，香农用信息论理论推导出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道极限传输速率，即数据传输速率C、信道带宽W、信号与噪声功率比S/N的关系为：

Cmax=W•log2(1+S/N)。信噪比S/N通常以dB（分贝）数表示，S表示信道内所传信号的平均功率，N表示信道内部的高斯噪声功率。第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限2）信道速率的极限值

香农定律含义：只要信息的传输速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。例如，S/N=30(dB)，由S/N(dB)=10•lg(S/N)，得S/N=1000。若W=3000Hz，则有

Cmax=30（kbps)第二节数据通信基础3、数据传输速率与信道速率的极限信息的传输速率受香农公式的限制码元传输速率受奈式准则的限制源系统传输系统目的系统源点发送器传输系统接收器终点输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据输出信息第三节传输媒体的特性传输媒体也称为传输介质或传输媒介。分为：导向传输媒体和非导向传输媒体。1、双绞线

屏蔽双绞线STP：非屏蔽双绞线UTP：双绞线是将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起来。主要有以下两种：第三节传输媒体的特性1、双绞线

屏蔽双绞线STP：具有抗电磁干扰能力，成本较高；非屏蔽双绞线UTP：1991年，美电子工业协会EIA和电信工业协会TIA发布EIA/TIA-568标准。1995年更新为EIA/TIA-568-A，规定了1类到5类UTP。1998年提出6类线。其中，常用的是3类和5类；第三节传输媒体的特性1、双绞线1995年，美电子工业协会EIA制定的UTP标准。

1类UTP：用于电话传输，性能要求低；

2类UTP：4对线，4Mb/s的数据传输；

3类UTP：4对线，10Mb/s的数据传输；

4类UTP：4对线，16Mb/s的数据传输；

5类UTP：4对线，100Mb/s的数据传输；第三节传输媒体的特性2、同轴电缆同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、外导体屏蔽层和塑料保护外层组成。主要有以下两种：50欧姆同轴电缆（基带同轴电缆）：传送基带信号，传输速率较高可达10Mb/s、距离较短1km，主要应用于局域网；

75欧姆同轴电缆（宽带同轴电缆）：传送频分复用宽带信号，运用模拟传输技术，传输速率高，可达150Mb/s，距离远到100km；第三节传输媒体的特性3、数据编码的类型数据编码类型主要取决于所采用的通信信道：模拟信道和数字信道。则数据编码分为：模拟数据编码和数字数据编码。

数字数据编码：非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码；（曼T/2低到高为1，差曼T跳变为0）模拟数据编码：幅度调制ASK、频率调制FSK、相位调制PSK；（u(t)=umsin(t+q0)，um可为um或0，可为

1或

2，Q可有相位差）第三节传输媒体的特性数字数据编码波形：数据非归零编码NRZ同步时钟曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码01010101第三节传输媒体的特性4、光缆光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。传输频率高，所以其传输带宽远远大于其他传输媒体。光纤传输的特点：传输损耗小、可传输距离远、抗电磁干扰性能好、保密性好、体积小、重量轻。第三节传输媒体的特性4、光缆光纤通信：发送端有光源，接收端利用光电二极管做成光检测器，它将光脉冲还原出电脉冲。由纤芯和包层构成。主要有以下两种：多模光纤：光源采用发光二极管，传输多条光波；单模光纤：光源采用半导体激光器，传输单光波，衰减小；第三节传输媒体的特性5、无线传输无线传输的频段地面微波接力通信卫星通信第四节模拟传输与数字传输

模拟传输系统调制解调器基本调制方法数字传输系统：脉冲编码调制PCM（pulsecodemodulation）实现模拟数据数字化。第四节模拟传输与数字传输

脉冲编码调制PCM实现步骤：采样量化编码样本量化级二进制编码编码信号D110001D240100D370111。。。D4131101。。。D5151111。。。D6131101。。。D760110。。。D830011。。。第五节信道复用技术

多路复用（multiplexing）：在单一的物理通信线路上建立多条并行的通信信道。进行通信时，需要用到复用器和分用器。频分复用FDM：所有用户在同一时间占用不同带宽资源。波分复用WDM：光纤通道技术通过对波长进行分隔实现复用。采用衍射光栅进行不同波长的合成与分解。如，密集波分DWDM。第五节信道复用技术

时分复用TDM：以信道传输时间为分割对象，所有用户在不同时间占用同样的带宽。如，统计时分复用STDM。码分多址CDMA：用户使用经过特殊挑选的不同码型，可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，不会造成干扰。如直接序列DS-CDMA和跳频FH-CDMA。第六节同步光纤网SONET和同步数字系列数字传输系统存在的问题：速率标准不一：北美和日本的T1速率、欧洲的

E1速率。不是同步传输：国际普遍采用准同步传输。第六节同步光纤网SONET和同步数字系列SDH1988年，美国推出一个数字传输标准：同步光纤网SONET，它每秒传输8000帧。

ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH，即1988年通过的G.707~G.709三个建议书。它同SONET有速率上的差异。第六节同步光纤网SONET和同步数字系列SDHSDH/SONET：定义了标准光信号，规定波长为1310nm和

1550nm的激光源在物理层为宽带接口使用了帧技术以传递信息为数字信号的复用和操作过程定义了帧结构第六节同步光纤网SONET和同步数字系列SDHSONET标准定义了四个光接口层，SONET的层次自下而上为：光子层：比特传送，电信号与光信号转换。段层：传送帧，成帧与差错检测。线路层：负责路径层的同步与复用。路径层：非SONET网络接口，路径端接设备PTE之间业务传输。光子层段层线路层路径层第六节同步光纤网SONET和同步数字系列SDHSONET体系结构：光子层段层线路层路径层SDH终端转发器复用器分用器SDH终端复用器分用器转发器路径线路段段段光子层段层线路层路径层光子层段层线路层光子层段层线路层光子层段层光子层段层第七节宽带接入技术1、xDSL技术

xDSL技术：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，能够承载宽带业务。

xDSL

：

ADSL:AsymmetricDigitalSubscriberLineHDSL:HighspeedDSLSDSL:Single-lineDSLVDSL:VeryhighspeedDSL

ADSL

：1999年7月，ITUG.992.1具体参见P57表。第七节宽带接入技术1、xDSL技术

ADSL

：离散多音调DMT（DiscreteMulti-Tone）调制技术，采用频分复用方法。上行带宽，采用25个子信道，每个子信道4kHz；下行249个子信道。不能保证固定的数据率，采用自适应调制技术。

ADSL

接入网的组成：数字用户线接入复用器DSLAM（DSLAccessMultiplexer）用户线用户设施说明：ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU（Access

TerminationUnit），包括ATU-C和ATU-R。第七节宽带接入技术1、xDSL技术二代ADSL：

ADSL2

：ITU-TG.992.3、G.992.4

ADSL2+：ITU-TG.992.5

改进：提高调制效率得到更高数据率采用无缝速率自适应技术SRA

（SeamlessRateAdaptation）改善线路质量评测和故障定位功能第七节宽带接入技术2、光纤同轴混合网HFC（HybridFiberCoax）光纤同轴混合网HFC基于CATV，具体改进：

HFC网主干线路采用光