数字通信基础ch7_物理层接口及标准.ppt

第7章物理层接口与标准 物理层作用 OSI RM最低层 涉及网络物理设备之间的接口 其目的是向高层提供透明的二进制比特流传输 通信接口标准化的意义常用的物理层接口标准RS 232 422 485USBISDN 第7章物理层接口与标准 7 1物理层概述7 2RS 2327 3RS 449 RS 423 A RS 422 A RS 4857 4X 21标准7 5通用串行总线 USB 7 6ISDN接口本章小结 7 1物理层概述 物理层接口定义 位于DTE和DCE之间的界面 实现不同通信设备之间的互联 互换 DTE DataTerminalEquipment 数据终端设备 是指连接到数据通信网络上的用户设备 它可以作为数据源 数据宿或者两者兼备并按照某一链路协议来完成数据传送控制 最先 DTE是指哑终端或打印机 现在 它常用来指计算机 局域网的互联设备 如网桥和路由器 Anendinstrumentthatconvertsuserinformationintosignalsfortransmissionorreconvertsthereceivedsignalsintouserinformation DTE DCE DataCircuit TerminatingEquipment 数据电路终端设备 与DataCommunicationEquipment 数据通信设备 是同义词 它是用来连接DTE设备到通信网络传输电路或信道 channel 的设备 或功能单元 其功能是建立 保持和释放连接 并且提供任何一种代码变换或信号变换所需要的功能 DCE 1 DCE位于DTE和传输电路 如电话线 之间 当信道上传输的是模拟信号时 DCE常指modem 当信道让传输的是数字信号时 DEC常指CSU DSU channelserviceunit dataserviceunit DCE 2 接口标准化 DTE DCE之间的接口标准 为建立 维护和拆除物理通路提供规范的机械 电气 功能和过程特征 MechanicalCharacteristics 规定物理连接所使用接插件规格 尺寸 引脚数量和排列方式等外观特性ElectricalCharacteristics 规定在物理连接上传输二进制比特流所使用的电平 匹配阻抗 传输速率和距离限制等 FunctionalCharacteristics 定义DTE和DCE之间每条信号线的功能 一般分为data control timingandGNDetc ProceduralCharacteristics 规定信号的时序 即各个信号或电路的动作序列 7 2RS 232 RecommendedStandard1962RS 2321969RS 232C最后修订1987RS 232D1991RS 232ERS 232 C是使用最早 应用最多的异步串行通信总线RS 232 C是美国电子工业协会 EIA 制订的 7 2RS 232 CCITTV 24V系列接口标准是为在电话网 含电话专线和电话交换网 中进行数据通信而制订的DTE DCE间的接口标准 CCITT对RS 232 C作了很小的修改后制订出的V系列 V 24和V 28 7 2RS 232 7 2 1RS 232 C电气特性7 2 2RS 232 C机械特性7 2 3RS 232 C功能特性7 2 4RS 232 C过程特性7 2 5RS 232 C的应用 7 2 1RS 232 C电气特性 规定信号电平 匹配阻抗 传输速率和距离限制等 信号电平 负逻辑 RS 232 C 即RS 232 C采用NRZ L编码 3 15V 0 15 3 V 1 正逻辑 TTL Transistor TransistorLogic晶体管 晶体管逻辑 电路 TTL 3 3V 1 10V 1 2 5V 0 RS 232C与TTL CMOS信号不能直接连接 必须通过接口电平转换电平转换 否则TTL CMOS电路毁坏 MC1488TTL RS 232CMC1499RS 232C TTL常用的MAX232MC都集成了MC1488 MC1499两项功能Vmax 20kb s信息传输距离短 Lcable 15m 7 2 2RS 232 C机械特性 RS 232C标准25针DB9com1com2DB25插头 用于DTE插座 用于DCE 7 2 3RS 232 C功能特性 规定了每一个管脚功能 名称并说明相互间操作关系 标准25线 只定义了20条 其中5条未作规定 RS 232 C功能特性 DTE TXD RXD RTS CTS DSR SGND DCD PGND DTR RT RxC TxC RS 232C的信号为为两大类 一类DTE与DCE交换的信息另一类为正确无误地传输上述信息而设计地联络信号 1 传送信息信号 TxD TransmittingData 由发送端 DTE 向接收端 DCE 发送的信息 按串行数据格式 即先低位后高位的顺序发出 管脚号2RxD RecevingData 用来接收DTE发送端输出的数据 管脚号为3 2 联络信号 RTS RequesttoSend DTE DCE当RTS 1时 表示DTE请求向DCE发送数据 4 CTS CleartoSendDCE DTE 允许发送 当CTS 1时 表示本地DCE响应DTE向DCE发出的RTS信号 且本地DCE准备向远程DCE发送数据 5 DSR datasetready DCE DTE 指出本地DCE的工作状态 当DSR 1时 表示DCE可以与远程DCE建立通道 6 DTR dataterminalready DTE DCE 当DTR 1时 表示DTE处于就绪状态 本地DCE和远程DCE之间建立通信通道 20 DCD DataCarrierDetect DCE DTE 当DCD 1时 表示本地DCE接收到远程DCE发来的载波信号 8 RI RingIndication DCE DTE 当RI 1时 表示本地DCE收到远程DCE振铃信号 22 地线 由于RS232C非平衡型电路 所有信号公用一根GND1 保护地 可不接7 信号地 必须接 7 2 4RS 232 C过程特性 以RS232C在租用线路上进行同步全双工传输接口工作过程为例 p196 显示传输前的准备工作保证四个设备全部准备就绪 可以进行传送在发送和接收MODEM间建立物理连接传送数据清除发送信号 7 2 5RS 232 C的应用 RS232C主要用在串行通信数据传输中使用方式 p197 p199 使用MODEM连接DTE之间直接相连三线连接法 RS232C的应用 RS232C传送波形图 以传送字符 x 和 y 为例 说明RS232C信号传送波形图 编码方法 非归零二电平码 NRZ L 负逻辑传送方法 异步传送模式1为起始位2位停止位差错控制 奇校验 例题 传 X 58H 01011000 异步通信中 停止位和空闲位的电平与逻辑 1 的电平相同 在负逻辑中 为低电平 Time 起始位 逻辑值 0 停止位 奇偶校验位 传 Y 59H 01011001 7 3RS 449 423 422 485 RS 232 C作为应用广泛的串行接口总线 有着明显的缺陷 速度慢 Vmax 20kb s信息传输距离短 Lcable 15m使用非平衡发送器 电气性能不佳信号之间容易产生码间串扰 推出了新的串行接口总线标准449 423 422 485以及USB等 7 3RS 449 423 422 485 7 3 1RS 4497 3 2RS 423 A RS 422 A7 3 3RS 485 7 3 1RS 449 RS449实际上是一个一体化的三个标准 它的机械 功能和过程特性接口由RS449定义 而电气特性接口由两个不同的标准定义 RS422A 用于平衡电路V 11 X 27RS423A 用于非平衡电路V 10 X 26RS449与RS232C相比 增加了10条接口引脚 从表7 3可以看出传送速率高 传送距离长100kb s1200m接口连接器采用37针和9针 安排辅助信道的管脚 接口管脚大致分为五大类 公共地数据控制定时线辅助信道 7 3 2RS 423A RS 422 A RS449的两个子集 RS422采用平衡电路 RS423采用非平衡电路负逻辑 且参考电平为地 1 6v 0 6vRS422规定了差分平衡的电气接口 即在较长距离明显地提高数据传输速率100kb s1000m10Mb s10mR423规定了差分平衡的电气接口 7 3 3RS 485 RS485是工业控制过程中的串行接口总线 它由RS422变型而来 实际上它们的差别在于 RS422全双工RS485半双工RS422采用两对平衡差分信号线 而RS485只需1对RS485更适合于多站互联 一个发送驱动器最多可连接32个负载设备 485连接电路 半双工通信 某一个时刻只能有一个站可以发送数据 另一个只能接收 发送电路由使能控制 422连接电路 全双工通信 任一个时刻同时进行发送和接收 7 4X 21标准 CCITT对DTE和DCE之间接口标准有X系列和V系列两大类建议 Vseries V是为在电话网 含电话专线和电话交换网 中进行数据通信而制订的DTE DCE间的接口标准Xseries 公用数字交换网络中DTE和DCE之间的接口标准 7 4X 21标准 7 4 1X 21建议7 4 2X 21功能特性7 4 3X 21过程特性7 4 4X 21电气特性7 4 5X 21机械特性7 4 6X 21bis建议 7 4 1X 21建议 DTE和DCE之间交换信号的接口标准 设计目标就是允许接口在更长的传输距离间进行更高速率的数据传输 DTE和DCE 300m同步半双工或全双工时 10Mb s欧洲网络多使用X 21接口 7 4 2X 21功能特性 机械特性 DB 15连接头功能特性 DB 15中仅定义了8条接口线 T发送 T线上的信号是DTE送往DCE的数信号和呼叫控制信号 机械特性 DB 15连接头功能特性 DB 15中仅定义了8条接口线 R线上的信号是DCE送往DTE的数据信号和呼叫控制信号 机械特性 DB 15连接头功能特性 DB 15中仅定义了8条接口线 ON状态表示在进行数据传输 OFF状态表示数据传输阶段已经结束 机械特性 DB 15连接头功能特性 DB 15中仅定义了8条接口线 告知DTE码元的开始和结束 每个控制序列开始至少加上SYN字符 机械特性 DB 15连接头功能特性 DB 15中仅定义了8条接口线 表示DTE一个字节的开始和结束 它是任选项 机械特性 DB 15连接头功能特性 DB 15中仅定义了8条接口线 0表示ON 1表示OFF 用来控制通话过程 7 4 3X 21过程特性 过程特性 空闲和静止阶段 接口不工作 没有通话 控制阶段 包括呼叫建立和清除阶段 数据传送阶段 通信双方交换数据 7 4 4X 21电气特性 电气特性 X系列接口地电气特性 采用的是v 10 x 26v 11 x 27的接口标准 这两种标准在接收端均采用差动输入 从而有效地减少了逻辑地电位以及外界干扰信号的影响 v 10 x 261 OFF T相对于R为负0 ON T相对于R为正 v 11 x 271 OFF T相对于R为负0 ON T相对于R为正接收端1或0取决于T和R端的相互关系 而不是地 7 4 5X 21机械特性 X系列接口采用ISO4903规定 采用15针标准连接器代替原先的25针连接器 如图7 19所示 7 4 6X 21bis建议 1 出台原因基于X 21的电路交换网络的实施需要新技术 许多国家不具备安装相应设备的条件 而且 更新业已存在的设备也需要相当长的过程 即使有了采用X 21标准的网络 用户仍然保持旧的基于V 24 与RS 232 C相似 只是在某些很少使用的电路上稍有区别 的设备 向X 21转变要付出昂贵的代价 针对这种情况 CCITT又提出了X 21bis建议 2 过度方案X 21bis描述一种DTE DCE接口 允许采用先前技术的V 24接口和调制解调器的DTE与X 21网络一道工作 也就是说 使用X 21bis接口 DTE可以与同步V系列调制解调器接口 V系列建议描述通过电话网的数据传送 其中V 24规定了DTE和电话网络的接口 即从DTE控制MODEM的方式 3 原理电路 工作原理图中与DTE相连的MODEM将数字信号转换成模拟信号 而与DSE 数字交换设备 连接的MODEM又将模拟信号转换成数字信号 直接呼叫设施避免使用通常由DTE提供的地址选择信号 网络将这种呼叫请求信号解释成建立与由用户请求的单个目标地址连接的指令 可以认为 X 21bis是X 21的暂时过渡版本 它是对X 21的补充 保持了V 24的物理接口 7 5通用串行总线 USB USB universalserialbus种类繁多的USB外设 Usb闪存 移动硬盘 键盘 鼠标 scanner digitalcamera modem printer cd rom RealPnP plugandplay并且可以带电热插拔 7 5通用串行总线 USB 7 5 1USB规范7 5 2USB体系结构7 5 3USB的应用 7 5 1USB规范 USBCompaq Digital IBM Intel MS 等8八家公司共同开发地一种新的设备接口总线技术1995年usb1 01 5Mbps12Mbps 低速外设2000年usb2 0对1 0完全兼容480Mbps 高速外设 USB主要特点 速度快 1 5 12 480Mbps连接简单 提供了单一的标准连接形式接口采用了统一的标准支持PnP和热插拔支持多达127台物理设备的连接占有主机资源 I O端口地址 中断 少接口内置电源 为外设提供电源是一种基于信息的协议总线 IEEE1394 Firewire 1394 1394a 1394b主要特点 高速数据传送 100200400Mbps 1394 1394a 800Mbps1 63 2Gbps 1394b 实时性 传送视频和音频数据高自由度连接拓扑结构支持PnP和热插拔 连接新一代的高速外设和信息家电设备 Usb 1394 7 5 2USB体系结构 主要包括总线拓扑结构 物理接口 总线协议 系统配置等 1 总线拓扑结构 USB主机和USB设备的连接模型 USB的物理连接是星型结构USB体系中只能有一个主机 主机上的USB接口称为主控制器 USB主控制器是硬件 固件或软件的联合体 根集线器是集成在主机系统中的 它可以提供一个或多个接入端口 USB主机 只能有一个USB设备 HUB 功能设备 一个典型的USB集线器 2 USB的物理接口 电气特性 Usb总线电缆 4根线 其中2根线提供设备工作所需的电源 另外2根线用于传输数据特性阻抗为90ohm信号差分输入传输速度 1 5 12 480Mbps USB的物理接口 机械特性 连接器形式分为A和B两种引脚 1 4 5 0vGND 2 white 3 V V USB电缆 电源线 红色 提供5V电压 USB连接器2种常见类型的正视图 A系列 上行端口 用于USB设备与集线器相连 B系列 下行端口 3 USB总线协议 总线上的所有处理都包括最多三个分组的传输每一个处理操作开始时 都由usb主控制器根据一个计划的步骤 发送一个用于描述处理类型和方向 usb设备地址 端点号的usb分组即令牌分组发送数据分组 握手分组 传送是否成功 上述USB总线上的这种主机和设备端点之间的数据传送模型称为 管道 共有两种类型的管道 USB总线协议 流管道 没有确定的usb帧结构消息管道 有确定的usb帧结构只要USB设备上电 即完成配置 后 就会存在一个控制管道0 用来提供对设备配置 状态和控制信息的访问 4 USB系统配置 插入USB设备每个USB设备都通过集线器上特定接口接入USB总线 集线器在各端口的状态中指出USB设备的接入和拆除 主机通过控制管道 使用默认的USB地址来使连接了USB设备的端口可用 并对USB设备进行寻址 拆除当USB设备从集线器上移出时 集线器会自动废除该端口并向主机发出设备移出指示 而主机会从主机数据结构中删除该USB设备的信息 USB系统配置 总线枚举总线枚举是指对总线上接入的USB设备进行识别和寻址操作以及总线上设备移出的发现和处理操作 USB的总线枚举是一种持续执行的工作 动态工作 5 USB数据传送方式 控制方式双向传送 主要用于命令 状态操作 USB系统软件主要用来进行查询 配置和给USB设备发送通用的命令 同步方式单向传输 提供确定的带宽和间隔时间 用于时间严格并具有较强容错性的流数据传输 或用于要求恒定数据传送率的即时应用中 USB数据传送方式 中断方式支持那些偶然需要相对少量数据进行通信 但服务时间却受限的设备批量方式支持那些在不同的时刻需要传输相对数据量较大的数据 并且传输可以推迟到有可用带宽时再进行的设备 打印机和扫描仪属于这种类型 7 5 3USB的应用 1 USB使用环境USB需要主机硬件 操作系统和外设三个方面的支持才能工作 主板上有支持USB功能的控制芯片组 并安装有USB接口插座 7 5 3USB的应用 1 USB使用环境USB需要主机硬件 操作系统和外设三个方面的支持才能工作 Windows98 WindowsME Windows2000 WindowsXP等 7 5 3USB的应用 1 USB使用环境USB需要主机硬件 操作系统和外设三个方面的支持才能工作 如数字照相机 计算机电话 数字音箱 数字游戏杆 打印机 扫描仪 键盘 鼠标等 2 主机和USB设备的连接 采用星形连接 USB连接器分A系列和B系列 见图7 24 用级联方法延长连接距离 但最多只能支持五级 最长扩展连接距离不得超过30m 多可以接127个USB设备 但是 这只是理论数据 目前也只做到111个USB设备同时工作 但这个数字已够大了 一般电脑连接的周边外设很少超过10个 7 6ISDN接口 ISDN IntegratedServicesDataNetwork综合业务数据网它向用户提供端到端连接 支持语音 数字 图像 传真等广泛业务 用户可以通过一组有限的标准的多用途用户网络接口来访问 其基本特性 支持端到端的数字连接 它是一个全数字化的网络 一切信号均以数字形式进行传输和交换 即不论原始信号是语音 文字 数据还是图像 都必须现在终端转换成数字信号 然后通过数字信道传送到ISDN网络 再由网络将这些数字信号传输到通信的另一方的终端设备 提供综合的通信业务 语音 非语音提供标准的入网接口 即不同的业务和终端可经过同一接口入网 借助这一多功能接口 ISDN的所有业务都可采用单一的ISDN号码 7 6ISDN接口 7 6 1ISDN用户 网络接口的结构7 6 2ISDN用户 网络接口的配置7 6 3ISDN标准7 6 4ISDN用户接口协议7 6 5ISDN的连接方式 7 6 1ISDN用户 网络接口结构 两种结构类型的ISDN用户网络接口结构 基本速率接口2B D B 64kbps传数据信息D 16kbps传信令消息 该接口能够满足大部分单个用户的需要无需改造现有的电话线 只需交换机提供ISDN功能 利用现有的电话线通过ISDN网络进行语音和多种形式的数据通信 基群速率接口一次群接口 主要用于装有PBX privateBranchExchange专用分组交换机 或具有召开电视会议用的高速信道等需要很大业务量的用户 提供1544kbps和2048kbps两种速率的传输能力 结构可根据用户通信的不同需求可以作出多种安排 一种典型的安排 nB D高速信道 mH0 DH11 D或H12 DnB mH0 D 三种物理接口速率 144kbps1544kbps T1 2048kbps E1 7 6 2ISDN用户 网络接口配置 TE1ISDN标准终端TE2非标准的ISDN终端TA终端适配器 非ISDN标准终端 ISDN网络 NT1网络终端1 它是用户传输线路装置 物理层 NT2网络终端2 智能终端 物理层 数据链路层和高层功能 7 6 3ISDN标准 ITU T于1985年提出了关于ISDN的一些标准 称做I 系列建议 1 ISDN总体概念及结构建议 I 100 2 ISDN业务服务能力 I 200 3 ISDP4网络特性和功能 I 300 4 ISDN用户 网络接口 I 411 412 420 5 ISDN协议层说明 I 430 440 441 450 451 ISDN的基本特征 1 ISDN应从现有的电话网发展起来 发展过程中应首先将模拟电话网演变为IDN网 2 ISDN所提供的新业务应与数字交换的基本速率64kbit s相兼容 3 ISDN应同时支持语音和非语音服务业务 4 为ISDN的用户提供全数字化连接 5 支持各种交换连接和非交换连接及其相互间的联系 6 ISDN应具有智能化功能 以便于实现维护 系统控制和网络管理 7 针对各种接入配置采用一组功能分层的总体方案 数字通信信道 1 B通道 64kbit s 2 D通道 16kbit s 3 A通道 4kHz模拟 4 C通道 8kbit s或16kbit s 基本用户通道 用于PCM数字语音 电路交换和分组交换的数字数据以及低速率业务的混合 数字通信信道 1 B通道 64kbit s 2 D通道 16kbit s 3 A通道 4kHz模拟 4 C通道 8kbit s或16kbit s 完成在用户与网络之间交换控制信息和提供低速率数字数据传输两大功能 数字通信信道 1 B通道 64kbit s 2 D通道 16kbit s 3 A通道 4kHz模拟 4 C通道 8kbit s或16kbit s 用于ISDN过渡期间传输模拟语音信号 数字通信信道 1 B通道 64kbit s 2 D通道 16kbit s 3 A通道 4kHz模拟 4 C通道 8kbit s或16kbit s 与A通道一起形成混合接入通道 8kbit s用于美国 16kbit s用于日本 7 6 4ISDN用户接口协议 ISDN的体系结构采用分层次的模型 是参照OSI参考模型而建立起来的 因此它也分为七个层次 而且每一层的功能与OSI OpenSystemInterconnection 参考模型完全一致 7 6 4ISDN用户接口协议 物理层定义了用户终端 TE 到网络终端 NT 之间的物理接口 同步控制 bitbytechannel数据链路层在物理层的基础上提供数据链路的建立 维持和释放的手段 D信道链路接入协议LAPD LinkAccessProcedureontheDchannel LAPD操作 证实操作和无证实操作 网络层利用数据链路层提供的信息传递服务 在用户与网络之间发送 接收各种控制信息 并根据用户要求对链路连接的建立 保持和释放进行控制 控制控制分为两类 电路交换呼叫控制 在终端与网络之间通过D信道交换信令信息 利用B信道建立电路交换的连接 并传送用户信息 分组交换呼叫控制 通过D信道来实施 但分组数据信息可以通过B D信道 7 6 5ISDN连接方式 ISDN提供了各种终端的连接方式 对于用户来说 ISDN提供了在一根电话线上实现128kbps的数据传送 可以同时处理语音 文字 数字和图像等多种信息 ISDN