第二章02物理层总结ppt课件.ppt

第3章物理层PhysicalLayer,2020/4/27,2,主要内容,2.1物理层基本概念2.2数据通信的基础知识2.3物理层下面传输媒体2.?模拟传输与数字传输2.4信道复用技术2.5数字传输系统2.6宽带接入技术,2020/4/27,3,2.1物理层的基本概念,物理层协议也常称为物理层规程(procedure)物理层的主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性，即：（1）机械特性（2）电气特性（3）功能特性（4）过程特性,2020/4/27,4,在物理连接上的传输方式一般都是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输；并行传输方式-数据在计算机中传输传输方式的转换,2020/4/27,5,2.2数据通信的基础知识,2.2.1数据通信系统的模型,2020/4/27,6,数据(Data)是运送信息的实体，信息(Information)则是数据的内容或解释；信号(Signal)则是数据的电气的或电磁的表现，即数据的物理量编码；无论数据或信号，都可以是模拟(Analog)的或数字(Digital)的。所谓“模拟的”就是连续变化的，如话音，视频；而“数字的”就表示取值是离散的，如计算机内存储的文本等。,模拟、数字数据与信号,2020/4/27,7,话音,2020/4/27,8,模拟信号,2020/4/27,9,数字信号,2020/4/27,10,Continuous和Discrete信号,2020/4/27,11,模拟数据和数字数据都可转换为模拟信号或数字信号，四种情况：（1）模拟数据、模拟信号（2）模拟数据、数字信号（3）数字数据、模拟信号（4）数字数据、数字信号,话音,电话,模拟,模拟,CODEC,数字,数字,Modem,模拟,数字,数字传输,数字,2020/4/27,12,图模拟数据、模拟信号、数字数据和数字信号,2020/4/27,13,2.2.2有关信道的几个基本概念,从通信双方信息交互方式看有三种基本方式（1）单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播或有线电广播以及电视广播；,2020/4/27,14,（2）双向交替通信：又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(或接收)，即一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来；,2020/4/27,15,（3）双向同时通信：又称为全双工（fullduplex）通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息；常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”；,2020/4/27,16,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）。,2020/4/27,17,调制,调制：让载波的某个参数（或几个）随调制信号（原始信号）的变化而变化的过程或方式称为调制。而载波通常是一种用来搭载原始信号（信息）的高频信号，它本身不含有任何有用信息。,频率变换实现信道复用提高抗干扰性,2020/4/27,18,几种最基本的调制方法,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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。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。,2020/4/27,19,对基带数字信号的几种调制方法,0,1,0,0,1,1,1,0,0,基带信号,调幅,调频,调相,2020/4/27,20,正交振幅调制QAM(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。,举例,2020/4/27,21,信道(Channel)划分,信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类；数字(模拟)信号在经过数模(模数)变换后可在模拟(数字)信道上传送；信道上传送的信号有基带(baseband)信号和宽带(broadband)信号之分；,2020/4/27,22,数字信道特性,码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元信道(Channel)：传送信息的线路（或通路）比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s),同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始,2020/4/27,23,2.2.3提高数据传输速率的途径,下图给出了一个数字信号通过质量好的信道和质量差的信道时的输出波形：,2020/4/27,24,奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率：理想低通信道的最高码元传输速率=2Wlog2KBaudW指理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)；Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元;,2020/4/27,25,奈氏准则的另一种表达方法：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；-频带利用率是2.对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W)，奈氏准则变为：理想带通信道的最高码元传输速率=Wlog2KBaud即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；,2020/4/27,26,信噪比,信道的极限信息传输速率C，又成为信道容量：C=Wlog2(1+S/N)b/s(3)其中：W-信道的带宽(以Hz为单位)；S-信道内所传信号的平均功率；N-信道内部的高斯噪声功率。式(3)就是著名的香农公式。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结论：只要信息传输速率小于极限信息传输速率，就可以找到某种办法实现无差错传输；,2020/4/27,27,2.3物理层下面的传输媒体,传输媒体也称为传输介质或传输媒介，即数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路；传输媒体分为两大类，即导向传输媒体（有线介质）和非导向传输媒体（无线介质）；,2020/4/27,28,图4电信领域使用的电磁波的频谱,2020/4/27,29,2.3.1导向传输媒体,1双绞线把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(Twist)起来就构成了双绞线。图是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。,2020/4/27,30,(a)无屏蔽双绞线(b)屏蔽双绞线,不同绞合度的双绞线,2020/4/27,31,同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成(如图所示)。通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：(1)50同轴电缆-(2)75同轴电缆,2同轴电缆,2020/4/27,32,光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8100m。纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。,3光缆,2020/4/27,33,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,2020/4/27,34,多模光纤与单模光纤,多模光纤,2020/4/27,35,四芯光缆剖面的示意图,四芯光缆,2020/4/27,36,光纤特点,光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济;（2）抗雷电和电磁干扰性能好;（3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据;（4）体积小，重量轻。,2020/4/27,37,采用光纤连网，常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机;T形接头有两种：无源的和有源的;无源的T形接头由于完全是无源的，非常可靠;有源的T形接头指有源转发器。,2020/4/27,38,明线,2020/4/27,39,2.3.2非导向传输媒体,1无线传输2.短波通信3地面微波接力通信特点：微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；,2020/4/27,40,电磁波传播：地波、天波、视线传播,2020/4/27,41,地波,频率：2MHz以下绕射：发生在波长障碍物尺寸可比时通信距离：可达数百数千km,2020/4/27,42,D层：高6080kmE层：高100120kmF层：高150400kmF1层：140200kmF2层：250400km晚上：D层、F1层消失E层、F2层减弱,电离层的结构,2020/4/27,43,电离层高度：60300km单跳最大距离：4000km多跳可以环球频率：230MHz,天波,2020/4/27,44,视线传播,频率：30MHz传播距离:d2+r2=(h+r)2,或hD2/50(m)式中Dkm,h,r,地面,2020/4/27,45,无线电中继,2020/4/27,46,静止卫星中继通信,2020/4/27,47,平流层中继通信,HAPS(HighAltitudePlatformStation),2020/4/27,48,散射通信,电离层散射频率:3060MHz对流层散射频率:1004000MHz流星余迹散射频率:30100MHz,2020/4/27,49,多径衰落,2020/4/27,50,2020/4/27,51,2.4信道复用技术,多路复用的基本概念单独的每对通讯者穿过共享信道进行通讯多路复用技术防止彼此干扰每个目的地只接收相关信息源的信息,2020/4/27,52,Multiplexingvs.NoMultiplexing,2020/4/27,53,2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用,时分复用,频分复用,复用技术,异步,同步,2020/4/27,54,频分复用和时分复用,2020/4/27,55,频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)，能够用于任何电磁辐射(包括光).时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度，每个item上标明信息源。,使用不同载波频率的多个信号能够同时通过一个单一媒介传播而不会彼此干扰,2020/4/27,56,FDM,2020/4/27,57,FDM,2020/4/27,58,FDM,TimeDomain,2020/4/27,59,Multiplexing,FrequencyDomain,2020/4/27,60,Demultiplexing,TimeDomain,2020/4/27,61,Demultiplexing,FrequencyDomain,2020/4/27,62,TDM,2020/4/27,63,SynchronousTDM(同步),2020/4/27,64,TDM,Multiplexing,2020/4/27,65,TDM,Demultiplexing,2020/4/27,66,在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。,2020/4/27,67,当用户在某一段时间暂时无数据传输时(例如用户正在键盘上输入数据或正在浏览屏幕上的信息)，只能让已经分配到手的子信道空闲着，而其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源。下图说明了这一概念。,2020/4/27,68,时分复用可能会造成线路资源的浪费,2020/4/27,69,统计时分复用STDM(StatisticTDM)是一种改进的时分复用，能明显提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用统计时分复用。下图是统计时分复用的原理图。统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。从平均的角度来看，这两者是平衡的。,2020/4/27,70,AsynchronousTDM(异步),2020/4/27,71,图23统计时分复用的工作原理,2020/4/27,72,2.4.2波分复用,波分复用(WavelengthDivisionMultiplexingWDM)指光的频分复用；图24表示8路传输速率均为2.5Gbit/s的光载波(其波长均为1310nm)，经光的调制后，分别将波长变换到1550-1557nm，每个光载波相隔1nm(只是为了说明问题的方便，实际上光载波的间隔一般是0.8或1.6nm)。,2020/4/27,73,WDM,图24波分复用的概念,2020/4/27,74,2.5.3码分复用,码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)，即每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。,2020/4/27,75,由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。码分复用最初是用于军事通信，因该系统发送的信号具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。在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。CDMA的每一站被指派一个唯一的m比特码片序(Chipsequence).,2020/4/27,76,若发送比特1，则发送站的m比特码片序列；若发送比特0，则发送站的m比特码片序列的二进制反码；例如：站s的码片序列为，则发送1时，需发送；发送0时，需发送；,2020/4/27,77,CDMA的工作原理,S站的码片序列S,1,1,0,t,t,t,t,t,t,m个码片,t,S站发送的信号Sx,T站发送的信号Tx,总的发送信号Sx+Tx,规格化内积SSx,规格化内积STx,数据码元比特,发送端,接收端,2020/4/27,78,2.5.1.脉码调制PCM体制,脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）。我国采用的是欧洲的E1标准。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。,2.5数字传输系统,2020/4/27,79,PCM原理方框图,2020/4/27,80,数字化3步骤：抽样、量化和编码,2020/4/27,81,抽样定理：若一个连续模拟信号s(t)的最高频率小于fH，则以间隔时间为T1/2fH的周期性冲激脉冲对其抽样时，s(t)将被这些抽样值所完全确定。,模拟信号的抽样,2020/4/27,82,2.5.2.同步光纤网和同步数字系列,数字传输系统存在的主要缺点：（1）速率标准不统一（2）不是同步传输为了解决上述问题，美国首先在1988年推出一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET(SynchronousOpticalNetwork)。ITU-T以SONET为基础，制定出国际标准同步数字序列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)；表3为SONET和SDH的比较。,2020/4/27,83,表3SONET的OC级/STS级与SDH的STM级的对应关系,2020/4/27,84,续表,注：STSSynchronousTransportSignalOCOpticalCarrierSTMSynchronousTransportModule,2020/4/27,85,SONET标准定义了四个光接口层，自下而上。光子层(PhotonicLayer)数字段层(SectionLayer)线路层(LineLayer)路径层(PathLayer),2020/4/27,86,图26SONET的体系结构,2020/4/27,87,2.6宽带接入技术,xDSL技术指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。DSL指数字用户线(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。,2020/4/27,88,ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)是非对称数字用户线W-ADSL；HDSL(HighspeedDSL)是高速数字用户线；SDSL(Single-lineDSL)是1对线的数字用户线；VDSL(VeryhighspeedDSL)是甚高速数字用户线；,2020/4/27,89,表4xDSL的几种类型,2020/4/27,90,ADSL在现成的用户线（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。ADSL采用自适应调制方法以提高用户数据率；,2020/4/27,91,图28DMT技术的频谱分布,2020/4/27,92,基于ADSL的接入网由以下3大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)；用户线；居民家庭中的一些设施；,2020/4/27,93,数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器。ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)。在电话端局（或远端站）和居民家中所用的ADSL调制解调器分别记为ATU-C（C代表端局CentralOffice）和ATU-R（R代表远端Remote）。用户电话通过电话分路器PS(POTSSplitter)和ATU-R连在一起，经用户线到端局，并再次经过一个电话分路器PS把电话连到本地电话交换机。,2020/4/27,94,ADSL中的“D（数字）”应理解为“使用数字技术”。ADSL的用户线上传送的仍然是模拟信号而不是数字信号。,2020/4/27,95,第二代ADSLADSL2（G.992.3和G.992.4）ADSL2+（G.992.5）,通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2要求至少应支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz，下行速率可达16Mb/s（最大传输速率可达25Mb/s），而上行速率可达800kb/s。采用了无缝速率自适应技术SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。,2020/4/27,96,2.6.2光纤同轴混合网HFC(HybridFiberCoax),HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造，,2020/4/27,97,HFC的主要特点,(1)HFC网的主干线路采用光纤HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fibernode)，即光分配结点ODN(OpticalDistributionNode)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。,2020/4/27,98,(2)HFC网采用结点体系结构,同轴电缆,头端,模拟光纤,放大器,引入线,分路器,光纤结点,服务区,服务区,服务区,2020/4/27,99,(3)HFC网具有