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第2章物理层2.1物理层基本概念

2.2数据通信基础知识

2.3物理层下面传输媒体

2.4模拟传输与数字传输

2.5信道复用技术

2.6同步光纤网SONET和同步数字系列SDH2.7物理层标准举例

第1页2.1物理层基本概念

物理层是向数据链路层提供服务，它主要任务描述为确定与传输媒体接口某些特性，即：

机械特性指明接口所用接线器形状和尺寸、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各条线上出现电压范围。

功能特性指明某条线上出现某一电平电压表达何种意义。

规程特性指明对于不一样功能多种也许事件出现次序。

第2页2.2数据通信基础知识2.2.1数据通信系统模型

2.2.2有关信道几个基本概念

2.2.3信道最高码元传输速率

2.2.4信道极限信息传输速率第3页2.2.1数据通信系统模型传输系统输入信息输入数据发送信号接收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正文正文数据通信系统源系统目系统传输系统输出信息PC机第4页几个术语

数据(data)——运输信息实体。信号(signal)——数据电气或电磁体现。“模拟”(analogous)——连续变化。“数字”(digital)——取值是离散数值。调制——把数字信号转换为模拟信号过程。解调——把模拟信号转换为数字信号过程。第5页模拟和数字数据、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

数字发送器第6页2.2.2有关信道几个基本概念

单向通信（单工通信）——只能有一种方向通信而没有反方向交互。

双向交替通信（半双工通信）——通信双方都能够发送信息，但不能双方同步发送(当然也就不能同步接收)。

双向同步通信（全双工通信）——通信双方能够同步发送和接收信息。

基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不一样电压来表达，然后送到线路上去传输。

宽带信号则是将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号。第7页2.2.3信道最高码元传输速率

任何实际信道都不是抱负，在传输信号时会产生多种失真以及带来多种干扰。码元传输速率越高，或信号传输距离越远，在信道输出端波形失真就越严重。第8页

数字信号通过实际信道失真不严重失真严重实际信道（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)输入信号波形实际信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)第9页奈氏（Nyquist）准则抱负低通信道最高码元传输速率=2WBaudW是抱负低通信道带宽，单位为赫(Hz)每赫带宽抱负低通信道最高码元传输速率是每秒2个码元。Baud是波特，是码元传输速率单位，1波特为每秒传送1个码元。不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)第10页另一种形式奈氏准则抱负带通特性信道最高码元传输速率=WBaudW是抱负带通信道带宽，单位为赫(Hz)每赫带宽抱负低通信道最高码元传输速率是每秒1个码元。不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)不能通过第11页波特(Baud)和比特(bit)

波特率指单位时间所传送码元数目，或者表达信号调制过程中单位时间内调制信号波形变换次数。单位为波特(Baud)。

比特率与波特率关系

比特率Rb和波特率RB统称为系统传输速率。在不一样信号调制系统中，每个码元所载比特是不一样。例如，二进制数字传输中一种码元可携带一种bit，八进制数字传输中，一种码元可载三个bit。一般而言，每个码元脉冲可代表log2M个M进制bit。即，比特率与波特率关系为Rb=RBlog2Mbps例：如M=4，RB=1200Baud，则信息传输速率

Rb=1200log24=2400bps第12页2.2.4信道极限信息传输速率

香农(Shannon)用信息论理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰信道极限、无差错信息传输速率。信道极限信息传输速率C可体现为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道带宽（以Hz为单位）；

S为信道内所传信号平均功率；

N为信道内部高斯噪声功率。第13页香农公式表白

信道带宽或信道中信噪比越大，则信息极限传输速率就越高。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不也许是这样），则信道极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达成信息传输速率要比香农极限传输速率低不少。第14页2.3物理层下面传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传输，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波传输常称为无线传输。第15页2.3.1导向传输媒体

双绞线：把两根互相绝缘铜导线并排放在一起，然后用规则办法绞合起来就组成了双绞线。屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

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无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP第16页什么是近端串扰

当电流在一条导线中流通时，会产生一定电磁场，干扰相邻导线上信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就是利用两条导线绞合在一起后，由于相位相差180度原因而抵消互相间干扰。绞距越紧则抵消效果越佳，也就越能支持较高数据传输速率。

近端串扰是指在与发送端处于同一边接收端处所感应到从发送线对感应过来串扰信号。在串扰信号过大时，接收器将无法鉴别信号是远端传送来薄弱信号还是串扰信号。第17页2.3.1导向传输媒体

同轴电缆：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。50

同轴电缆75

同轴电缆外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体第18页同轴电缆分类一般按特性阻抗数值不一样，将同轴电缆分为两类：（1）50

同轴电缆又称为基带同轴电缆。在传输基带数字信号时，能够有多种不一样编码办法。常用两种编码办法，即：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。（2）75

同轴电缆又称为宽带同轴电缆。在计算机通信中，“宽带系统”是指采取了频分复用和模拟传输技术同轴电缆网络。第19页三种常用编码办法第20页光缆

光缆一般由非常透明石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层组成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8~100

m。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低折射率。当光线从高折射率媒体射向低折射率媒体时，其折射角将大于入射角，假如入射角足够大，就会出现全反射，即光线遇到包层时就会折射回纤芯。这个过程不停反复，光也就沿着光纤传输下去。第21页光纤折射角入射角

包层（低折射率媒体）

包层（低折射率媒体）

纤芯（高折射率媒体）包层纤芯第22页光纤工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输方式是不停地全反射第23页多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲只要从纤芯中射到纤芯表面光线入射角大于某一临界角度，就可产生全反射。因此可存在许多不一样入射角度光线在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤。光在多模光纤中传输会逐渐展宽，只适合于近距离传输。第24页多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤

当光纤直径减小到只有一种光波长，则光纤可使光线始终向前传输而不产生数次反射，这样光纤称为单模光纤。单模光纤纤芯和细，造价较高，且光源昂贵，但损耗较小，适合远距离传输。第25页光纤特点1、通信容量大。2、传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济。3、抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰环境下尤为主要。4、无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。5、体积小，重量轻。6、光纤对接需专用设备，光电接口也较贵。第26页2.3.2非导向传输媒体

无线传输所使用频段很广。短波通信主要是靠电离层反射，但短波信道通信质量较差。微波在空间主要是直线传输。地面微波接力通信卫星通信

第27页地面微波接力通信长处：微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道容量很大；微波传输质量较高；建设投资少，见效快。缺陷：相邻站之间必须直视，不能有障碍物；微波传输有时也会受到恶劣气候影响；与电缆通信系统比较，微波通信隐蔽性和保密性较差；对大量中继站使用和维护要花费一定人力和物力。第28页卫星通信

通信办法是在地球站之间利用位于约36000公里高空人造同步地球卫星作为中继器一种微波接力通信。卫星通信最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。卫星通信另一特点就是具有较大传输时延。第29页2.4模拟传输与数字传输2.4.1模拟传输系统

2.4.2调制解调器

2.4.3数字传输系统第30页2.4.1模拟传输系统

长途干线采取频分复用

FDM传输方式

FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)

目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而目前模拟通信电路就只剩下从顾客电话机到市话交换机之间这一段几公里长顾客线上。第31页2.4.2调制解调器出现差错010010100还原后数据t接收到失真信号010011100t发送基带信号t采样时刻数据通过模拟传输系统后会出现差错第32页1、调制解调器作用调制解调器（modem）包括：调制器：把要发送数字信号转换为频率范围在300~3400Hz之间模拟信号，方便在电话顾客线上传送。解调器：把电话顾客线上传送来模拟信号转换为数字信号。调制器作用就是个波形变换器，它把基带数字信号波形变换成适合于模拟信道传输波形。解调器作用就是个波形识别器，它将通过调制器变换过模拟信号恢复成本来数字信号。第33页2、几个最基本调制办法

调幅(AM)：载波振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波初始相位随基带数字信号而变化。010011100基带信号调幅调频调相第34页

一种正交调制QAM

可供选择相位有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种不一样组合，因此这16个点中每个点可对应于一种4bit编码。若每一种码元可表达比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。

r

(r,)第35页3、调制解调器速率目前调制解调器信息传输速率已很接近于香农信道容量极限了。要提升信息传输速率，只能设法提升信噪比。在电话顾客线上，最大噪声来自模拟到数字模数转换所带来量化噪声。第36页产生量化噪声地方A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机1交换机2V.3433.6kb/s

调制解调器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/s

调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用V.34调制解调器（33.6kb/s）

产生量化噪声产生量化噪声顾客环路模拟信号顾客环路模拟信号第37页产生量化噪声地方（续）使用V.90调制解调器（56kb/s）

A2/4A/DA/D交换机因特网服务提供者V.9056kb/s调制解调器D/AV.9056kb/s调制解调器数字信号数字信号

至因特网（数字信号）顾客环路模拟信号仅在此处产生量化噪声仅在此处产生量化噪声第38页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。发送端发送连续比特流。当接收端判决点移动时间超出码元宽度二分之一时(本来判决点应当处于每一种码元中间)，就要产生差错，这就是所谓滑动(slip)。

异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一种字节后，可通过任意长时间间隔再发送下一种字节。异步通信通信开销较大，但接收端可使用便宜、具有一般精度时钟来进行数据通信。第39页2.4.3

数字传输系统

为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率2倍，就能够从采样脉冲信号无失真地恢复出本来电话信号。标准电话信号最高频率为3.4kHz，为方便起见，采样频率就定为8kHz，相称于采样周期为125

s。第40页2.4.3

数字传输系统

目前数字传输系统均采取脉码调制

PCM（PulseCodeModulation）体制。采样周期Tt信号t采样1001001111000010t编码t解码t还原第41页时分复用

为了有效地利用传输线路，可将多种话路PCM信号用时分复用

TDM办法装成时分复用帧，然后发送到线路上。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=125

s15个话路15个话路第42页2.5信道复用技术2.5.1频分复用、时分复用和统计时分复用

2.5.2波分复用

2.5.3码分复用第43页2.5.1频分复用、时分复用和统计时分复用频分复用：所有顾客在同样时间占用不一样带宽资源。频率时间频率1频率2频率3频率4频率5第44页2.5.1频分复用、时分复用和统计时分复用时分复用：所有顾客在不一样时间占用同样频带宽度。在

TDM

帧中位置不变频率时间BCDBCDBCDBCDAAAATDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧第45页

时分复用也许会造成线路资源挥霍ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4顾客第46页统计时分复用STDM顾客ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用改善时分复用，显著地提升信道利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。第47页2.5.2波分复用波分复用就是光频分复用。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm8

2.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km第48页2.5.3码分复用

常用名词是码分多址CDMA，每一种顾客能够在同样时间使用同样频带进行通信。各顾客使用通过特殊挑选不一样码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送信号有很强抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发觉。每一种比特时间划分为m个短间隔，称为码片(chip)。

第49页码片序列(chipsequence)

每个站被指派一种惟一mbit码片序列。如发送比特1，则发送自己mbit码片序列。如发送比特0，则发送该码片序列二进制反码。

例如，S站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。为了方便，将码片中0写为-1，1写为+1。S站码片序列：(-1-1-1+1+1-1+1+1)CDMA主要特点：每个站分派码片序列不但必须各不相同，并且还必须互相正交。第50页码片序列正交关系

令向量S表达站S码片向量，令T表达其他任何站码片向量。两个不一样站码片序列正交，就是向量S和T规格化内积(innerproduct)都是0。且向量S和各站码片反码向量内积也为0。任何一种码片向量和该码片向量自己规格化内积是1，且一种码片向量和该码片反码向量规格化内积值是-1。第51页CDMA工作原理

假定X站要接收S站发送数据，需将收到信号（各站发送码片序列之和）与码片向量S求内积成果是：（1）其他站信号都被过滤掉，只剩下S站发送信号；（2）当S站发送比特1，内积=+1；（3）当S站发送比特0，内积=-1。第52页CDMA工作原理S站码片序列S110ttttttm

个码片tS站发送信号SxT站发送信号Tx总发送信号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第53页2.6同步光纤网SONET和同步数字系列SDH旧数字传输系统存在着许多缺陷。其中最主要是下列两个方面：（1）速率标准不统一：假如不对数字传输速率进行标准化，国际范围高速数据传输就很难实现。

（2）不是同步传输：在过去相称长时间，为了节省经费，各国数字网主要是采取准同步方式。第54页

同步光纤网SONET

同步光纤网SONET(SynchronousOpticalNetwork)各级时钟都来自一种非常精确主时钟（其精度优于±1×10-11）。其传输速率是以51.84Mb/s基础。此速率对于电信号则称为第1级同步传送信号STS-1。此速率对于光信号则称为第1级光载波OC-1。第55页

同步数字系列SDHITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。

SDH基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相称于SONET体系中OC-3速率。

SDH/SONET标准制定，使北美、日本和欧洲这三个地域三种不一样数字传输体制取得了统一。第56页2.7物理层标准举例一、EIA-232-E接口标准EIA-232上DTE和DCE之间接口标准。

DTE是数据终端设备，是具有一定数据处理能力和发送、接收数据能力设备。

DCE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功能，并且负责建立、保持和释放数据链路连接。第57页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顾客环境通信环境顾客设施通信设施DTE信号线与控制线顾客设施顾客环境注：为了减轻数据处理设备顾客负担，就必须对DTE和DCE接口进行标准化，这种接口标准就是所谓物理层协议。第58页EIA-232主要特点

机械特性：使用25根引脚DB-25插头座。分2排：13根和12根。插头在DTE上，插座在DCE上。

电气特性：采取负逻辑。逻辑0用+3V或更高电压，逻辑1用-3V或更低电压。逻辑0相称于接通，逻辑1相称于断开。最大传输数率为20kb/s；电缆最大长度不超出15m。

功能特性：要求了什么电路应当连接到25根引脚中哪一根以及该引脚作用。

规程特性：与CCITTV.24提议书一致。要求各事件发生次序。第59页DB-25和DB-9外形第60页EIA-232信号定义(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)祈求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE就绪(22)振铃批示DTEDCE计算机或终端调制解调器第61页两个DTE通过DCE进行通信例子EIA-232/V.24

接口调制解调器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/V.24

接口调制解调器网络第62页（1）当DTE-A要和DTE-B进行通信时，就将引脚20“DTE就绪”置为ON，同步通过引脚2“发送数据”向DCE-A传送电话号码信息。

（2）DCE-B将引脚22“振铃批示”置为ON，表达通知DTE-B有入呼叫信号达到。DTE-B就将其引脚20“DTE就绪”置为ON。DCE-B接着产生载波信号，并将引脚6“DCE就绪”置为ON，表达已准备好接收数据。

（3）当DCE-A检测到载波信号时，将引脚8“载波检测”和引脚6“DCE就绪”都置为ON，方便使DTE-A懂得通信电路已经建立。DTE-A通过DCE和网络与DTE-B发送数据步骤第63页（4）DCE-A接着向DCE-B发送其载波信号，DCE-B将其引脚8“载波检测”置为ON。

（5）当DTE-A要发送数据时，将其引脚4“祈求发送”置为ON。DCE-A作为响应将引脚5“允许发送”置为ON。然后DTE-A通过2“发送数据”来发送其数据。DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送过去。

（6）DCE-B将收到模拟信号转换为数字信号通过引脚3“接收数据”向DTE-B发送。DTE-A通过DCE和网络与DTE-B发送数据步骤第64页利用虚调制解调器与两台计算机相连插头插头插座插座计算机虚调制解调器计算机（1）保护地（2）发送（3）接收（4）祈求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃批示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）祈求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃批示第65页利用虚调制解调器与两台计算机相连插头插头计算机计算机（1）保护地（2）发送（3）接收（4）祈求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃批示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）祈求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7