制作人谢希仁课件

课件制作人：谢希仁计算机网络教程（第2版）第3章物理层课件制作人：谢希仁第3章物理层3.1物理层的基本概念3.2数据通信的基础知识

3.2.1数据通信系统的模型

3.2.2有关信道的几个基本概念

3.2.3信道的最高码元传输速率

3.2.4信道的极限信息传输速率3.3物理层下面的传输媒体

3.3.1导向传输媒体

3.3.2非导向传输媒体课件制作人：谢希仁第3章物理层（续）3.4模拟传输与数字传输

3.4.1模拟传输系统

3.4.2调制解调器

3.4.3数字传输系统

3.5信道复用技术

3.5.1频分复用、时分复用和统计时分复用

3.5.2波分复用

3.5.3码分复用

3.6同步光纤网SONET和同步数字系列SDH3.7物理层标准举例

3.7.1EIA-232-E接口标准

3.7.2RS-449接口标准课件制作人：谢希仁第3章物理层（续）3.8宽带接入技术

3.8.1xDSL技术

3.8.2光纤同轴混合网（HFC网）

3.8.3FTTx技术课件制作人：谢希仁3.1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、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。

课件制作人：谢希仁3.2数据通信的基础知识

3.2.1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数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机课件制作人：谢希仁几个术语数据(data)——运送信息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——连续变化的。“数字的”(digital)——取值是离散数值。调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。课件制作人：谢希仁解释一下关于调制的概念上面提到的关于调制的概念是很不严格的，容易引起误解。严格地讲，调制是使消息载体的某些特性随消息变化的过程。调制的作用是把消息置入消息载体，便于传输或处理。在通信系统中为了适应不同的信道情况,常常要在发送端对原始信号进行调制,得到便于信道传输的信号。解调是在接收端完成调制的逆过程，还原出原始信号。课件制作人：谢希仁调制解调器的作用调制解调器的作用并非简单地把数字信号转换成为模拟信号。否则就使用“模/数转换器”了。当PC机通过调制解调器连接到电话用户线上时，调制解调器把PC机输出的数字信号，转换成适合在电话用户线上传输的模拟信号。而PC机的数字信号置入用户线上传输的模拟信号（改变模拟信号的某些参数）。数字信号本来无法通过电话用户线。但加上调制解调器后，数字信号就好像能够通过电话用户线了。模拟的电话用户线不能长距离传输数字信号调制解调器调制解调器数字信号的消息置入在模拟信号中两端加上调制解调器后就能传输数字信号课件制作人：谢希仁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

数字发送器课件制作人：谢希仁2.2.2有关信号的几个基本概念单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。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)。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。课件制作人：谢希仁基带(baseband)信号和

带通(bandpass)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。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(modulation)。带通信号(在计算机网络中常叫做宽带信号)——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。课件制作人：谢希仁3.2.3信道的最高码元传输速率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。

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。课件制作人：谢希仁数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)数字传输的速率例3-1数字传输的速率有两种表示方法：比特率：指每秒传输的二进制信息的位数，单位为bps（即bit/s）。波特率：指每秒传输的信号个数，单位为波特。只有在采用2种信号状态的情况下，数字线路的比特率和波特率才是相等的；信号状态多于2种时，比特率大于波特率。课件制作人：谢希仁课件制作人：谢希仁奈氏(Nyquist)准则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。理想低通信道的最高码元传输速率=2W

码元/秒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)课件制作人：谢希仁另一种形式的奈氏准则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

码元/秒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)不能通过课件制作人：谢希仁要强调以下两点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。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。。课件制作人：谢希仁举例说明假定有一个带宽为3kHz的理想低通信道，其最高码元传输速率为6000码元/秒。若每个码元能携带3bit的信息量，则最高信息传输速率为18000bit/s。那么，怎样才能使一个码元携带3bit的信息量呢？课件制作人：谢希仁一个码元携带3bit的信息量假定我们的基带信号是：

101011000110111010…

这里每一个码元所携带的信息量是1bit。现将信号中的每3个比特编为一个组，即

101,011,000,110,111,010,…。

3个比特共有8种不同的排列。我们可以不同的调制方法来表示这样的信号。例如，用8种不同的振幅，或8种不同的频率，或8种不同的相位进行调制。课件制作人：谢希仁假定我们采用相位调制，用相位0

表示000,1表示001,

2表示010,…,7表示111。这样，原来的18个码元的信号就转换为由6个码元组成的信号：

101011000110111010…5

3

0

6

7

2…也就是说，若以同样的速率发送码元，则同样时间所传送的信息量就提高到了3倍。采用相位调制课件制作人：谢希仁3.2.4信道的极限信息传输速率香农(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。信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW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。

课件制作人：谢希仁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。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

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。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。习题练习1：电视频道带宽为6MHz，如果无热噪声和采用4电平信号传送数据传输，速率可达多少？2：假如有一个发送二进制信号的3KHz的信道，其信噪比为20db，那么其最大传输速率应该在什么范围内？课件制作人：谢希仁习题练习3：设电话线带宽为3kHz，信噪比为30dB，信号功率100mW，求：最大数据传输速率（b/s）。4：带宽为4KHz的信道，若有8种不同的物理状态表示数据，信噪比为30db，问按照奈奎斯特定理计算，其极限速率是多少？按香农定理计算，其极限速率又为多少？课件制作人：谢希仁课件制作人：谢希仁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课件制作人：谢希仁3.3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)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱课件制作人：谢希仁3.3.1导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆课件制作人：谢希仁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同轴电缆课件制作人：谢希仁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）包层纤芯课件制作人：谢希仁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课件制作人：谢希仁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课件制作人：谢希仁3.3.2非导向传输媒体无线传输所使用的频段很广。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。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信

课件制作人：谢希仁3.4模拟传输与数字传输

3.4.1模拟传输系统

长途干线最初采用频分复用

FDM的传输方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)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换机之间的这一段几公里长的用户线上。课件制作人：谢希仁3.4.2调制解调器数据经过模拟传输系统后可能会出现差错。出现差错010010100还原后的数据t接收到的失真信号010011100t发送的基带信号t采样时刻课件制作人：谢希仁调制解调器的作用调制解调器(modem)包括：调制器(MOdulator)：把要发送的数字信号置入在频率范围在300~3400Hz之间的模拟信号中，以便在电话用户线上传送。解调器(DEModulator)：从电话用户线上传送来的模拟信号中提取出数字信号。本书中的调制解调器是指使用在标准的二线模拟话路（3.1kHz的标准话路带宽）上的调制解调器。课件制作人：谢希仁调制解调器的作用（续）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。

课件制作人：谢希仁几种最基本的调制方法调制就是进行波形变换（频谱变换）。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。

课件制作人：谢希仁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课件制作人：谢希仁一种正交调制QAMQAM(QuadratureAmplitudeModulation)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4bit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4bit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。课件制作人：谢希仁调制解调器的速率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。要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。在电话的用户线上，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。课件制作人：谢希仁调制解调器使用异步通信方式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。

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。课件制作人：谢希仁3.4.3数字传输系统现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM(PulseCodeModulation)体制。

采样周期Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原课件制作人：谢希仁时分复用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(TimeDivisionMultiplexing)的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。中国采用欧洲体制，以E1为一次群。美国和日本等国采用北美体制，以T1为一次群。课件制作人：谢希仁E1的时分复用帧2.048Mb/s传输线路CH0CH16CH17CH15CH15CH16CH17CH31CH31CH0CH1CH1…………时分复用帧TCH0CH1CH2…CH15CH16CH17CH30CH31CH0…8bitt时分复用帧时分复用帧T=125ms15个话路15个话路课件制作人：谢希仁3.5信道复用技术3.5.1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。

课件制作人：谢希仁频分复用频率时间频率1频率2频率3频率4频率5课件制作人：谢希仁时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧课件制作人：谢希仁时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧课件制作人：谢希仁时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧课件制作人：谢希仁时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧课件制作人：谢希仁时分复用可能会造成

线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户课件制作人：谢希仁统计时分复用

STDM用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用课件制作人：谢希仁1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm3.5.2波分复用WDM波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器课件制作人：谢希仁3.5.3码分复用CDM常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。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。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。

课件制作人：谢希仁码片序列(chipsequence)每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S站的8bit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。S站的码片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)课件制作人：谢希仁CDMA的重要特点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)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。课件制作人：谢希仁码片序列的正交关系令向量S表示站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(innerproduct)都是0：(3-4)课件制作人：谢希仁码片序列的正交关系举例令向量S为(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T为(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(3-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。课件制作人：谢希仁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。正交关系的另一个重要特性课件制作人：谢希仁CDMA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课件制作人：谢希仁3.6同步光纤网SONET和

同步数字系列SDH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：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。

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。

课件制作人：谢希仁同步光纤网SONET同步光纤网SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。第1级同步传送信号STS-1(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。光信号则称为第1级光载波OC-1，OC表示OpticalCarrier。课件制作人：谢希仁

同步数字系列SDH

ITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可认为SDH与SONET是同义词。SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。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-1155.520*OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080*OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-81866.240OC-36/STS-36STM-122488.320*OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/sSONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系课件制作人：谢希仁SONET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终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径课件制作人：谢希仁SONET标准定义了

四个光接口层光子层(PhotonicLayer)处理跨越光缆的比特传送。段层(SectionLayer)在光缆上传送STS-N帧。线路层(LineLayer)负责路径层的同步和复用。路径层(PathLayer)处理路径端接设备PTE(PathTerminatingElement)之间的业务的传输。

课件制作人：谢希仁3.7物理层标准举例

EIA-232-E接口标准DTE(DataTerminalEquipment)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。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是数据电路端接设备，它在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。

课件制作人：谢希仁DTE通过DCE

与通信传输线路相连DTEDCEDCE串行比特传输信号线与控制线用户环境通信环境用户设施通信设施DTE信号线与控制线用户设施用户环境课件制作人：谢希仁3.8宽带接入技术

3.8.1xDSL技术xDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400kHz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。xDSL技术就把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。DSL就是数字用户线(DigitalSubscriberLine)的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。课件制作人：谢希仁xDSL的几种类型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线DSL：ISDN用户线。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率）。课件制作人：谢希仁ADSL的极限传输距离ADSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。课件制作人：谢希仁ADSL的特点上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。课件制作人：谢希仁DMT技术DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。每个子信道占据4kHz带宽（严格讲是4.3125kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。课件制作人：谢希仁DMT技术的频谱分布…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)约1100kHz课件制作人：谢希仁ADSL的数据率由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。通常下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s之间，而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线

电话分路器

区域宽带网至ISP居民家庭基于ADSL的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表远端Remote）电话分路器PS(POTSSplitter)

课件制作人：谢希仁3.8.2光纤同轴混合网

HFC(HybridFiberCoax)HF