CH2-6ed 物理层

1、 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院第 2 章 物理层2.1 物理层的基本概念2.2 数据通信的基础知识2.3 物理层下面的传输媒体2.4 信道复用技术2.5 数据交换技术天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.1 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 机械特性 电气特性 功能特性 过程特性天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.2 数据通信的基础知识2.2.1 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

2、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 机天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院数据通信的基本过程 与打电话比较 拨号，拨通对方 互相确认身份 互相通话 互相确认要结束通话 双方挂机 过程 建立物理连接 建立逻辑连接 数据传输 断开逻辑连接 断开物理连接天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.2.2有关信道的几个基本概念 数据(data) 运送消息的实体。 信息（Information）数据的内容或解释。 信号(

3、signal) 数据的电气的或电磁的表现。天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 “模拟信号”(analogous signal) 代表消息的参数的取值是连续的。 “数字信号”(digital) 代表消息的参数的取值是离散的。天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 周期信号周期信号 信号由不断重复的固定模式组成 非周期信号非周期信号 信号没有固定的模式和波形循环天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 码元码元(code) 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。 信息编码：信息编码：将

4、信息用二进制数表示的方法 数据编码：数据编码：将数据用物理量表示的方法 例如：字符“A”的ASCII编码为01000001，其数据编码可能为天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院信 道 信道（信道（Channel）：）：传送信息的线路（或通路） 数字信道：数字信道：以数字脉冲形式（离散信号）传输数据的信道 模拟信道：模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据的信道天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院数字通信与模拟通信 数字通信数字通信 在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输 模拟通信模拟通信 在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输天津工业大学天津

5、工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 通信方式 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。 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院基带(baseband)信号和带通(band pass)信号 基带信号（即基本频带信号） 带通信号天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院传输方式 基带传输：基带传输：不需调

6、制，编码后的数字脉冲信号直接在信道上传送。 频带传输：频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再传送，接收方需要解调。 宽带传输：宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院信息通过数据通信系统进行传输过程天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院模拟数据数字数据模拟信号数字信号ModemA/D变换数字编码天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院数据编码 数字数据的数字信号编码 数字数据的调制编码 模拟信号的数字编码天津工业大学天津工业大学 电子与信息

7、工程学院电子与信息工程学院数字数据的数字信号编码不归零码不归零码（Non-Return to Zero， NRZ ）二进制数字0、1分别用两种电平来表示；曼彻斯特编码曼彻斯特编码（Manchester Coding）用电压的变化表示0和1。 规定在每个码元的中间发生跳变 高低的跳变代表0，低高的跳变代表1每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号。这种编码也称为自同步码（Self-Synchronizing Code）。差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Coding，DMC）每个码元的中间仍要发生跳变。用码元开始处有无跳变来表

8、示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1。天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院数字数据调制三种常用的调制技术 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。 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 用数字信号对载波的不同参量进行调制。 载波信号 S(t) = Acos(t+) 原理原理ASK：用载波的两个不同振幅表示0和1FSK：用载波的两个不同频率表示0和1PSK：用载波的起始相位的变

9、化表示0和1天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院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天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院模拟数据的数字信号编码采样定理采样定理 如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则从采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院PCM编码 采样：按一定间隔对语音信号进行采样 量化：把每个样本舍入到最接近的量化级别上 编码：对每个舍入后的样本进行编码天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院语

10、音信号的数字化 语音带宽f2倍语音最大频率） 数据率：8000次/s8b = 64kb/s 每路PCM信号的速率 = 64kb/s天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院PCM编码过程天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.2.3 信道的极限容量 有失真，但可识别 失真大，无法识别 实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院数据传输速率 数据传输速率是指每秒钟传输的二进制个数，又称为比特率，单位为

11、比特。 Kbps,Mbps,Gbps。 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院码元传输速率 每秒钟发送的信号码元的个数，又称为波特率，单位为（Band，简称Bd）。如果信号码元的持续时间为Ts，即信号脉冲的周期为T秒，则码元传输速率例如： 秒，则码元传输速率为：1()BdNBdT6833 10T6111200833 10BdNBdT天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院信道容量 奈奎斯特定理奈奎斯特定理 对具有矩形频谱的无噪声信道，若信道带宽为WHz，所能传送的信号最高码元速率为2W波特。因此，离散的、无噪声的、带宽为W的数字信道的信道容量C（即

12、最大波特率）为：MWC2log2天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院香农定理 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极极限、无差错限、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sbWCNS/log)/1(2天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院信噪比 在实际应用中，通常不用S/N本身表示信噪比，而是用10lg(S/N)来表示，单位是分贝（dB）。 即 信噪比= 10lg(S/N)天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院例题1.若信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则极限数据速率为？ 答：1 100023

13、000log303010lg(/)/1000kbpsSNSN天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.在50kHz 的线路上传输T1载波，需要多大的信噪比？答：16(1/)231311.5441.544 1050000log/2110lg(21)93S NTMbpsS NdB信噪比天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.3 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)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106

14、107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.3.1 导向传输媒体 双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院铜线铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘

15、层无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STP天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院美国线规 AWG AWG（American wire gauge）,一种区分导线直径的标准，又称为Brown & Sharpe 线规。天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院常用绞合线标准双绞线适用范围1类双绞线电话传输2类双绞线电话和低速数据传输（4Mbps）3类双绞线10Base-T以太网和4Mbps令牌环网4类双绞线16Mbps的令牌环网5类双绞线100 Base-TX和100 Base-T4天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院EI

16、A/TIA 568A 568B(a) RJ-45 插头和插座的结构(b)网线与 RJ-45 的连接序号（EIA/TIA T568A 和 T568B 两种）天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 同轴电缆 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同轴电缆天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院光缆折射角入射角 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） 包层纤芯天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院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

17、全反射天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院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天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.3.2 非导向传输媒体 无线电波地球表面发射接收装置电离层(b) 无线电波被电离层反射发射接收装置地面波地球表面(a) 无线电波沿地表传播天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 地面微波天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 卫星微波天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工

18、程学院共享信道2.4 信道复用技术2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a) 不使用复用技术(b) 使用复用技术天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院0Af通道10Af0Af通道20

19、Af通道30Af0Af0Af调频前调频后频分多路复用天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 波分复用就是光的频分复用。F1F2F3棱柱棱柱/衍射光栅衍射光栅共享光纤共享光纤光纤1光纤2光纤3采用无源设备，更可靠采用无源设备，更可靠F1F2F3共享光纤的光普共享光纤的光普天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院时分复用TDM(Time Division Multiplexing) 把时间分割成小的时间片，每个时间片分为若干个时隙，每路数据占用一个时隙进行传输。天津工业

20、大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院时分复用 频率时间B C DB C DB C DB C DAAAAA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院时分复用 频率时间C DC DC DAAAABBBB C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院时分复用 频率时间BDBDBDAAAA BCCCC DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧天

21、津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院时分复用 频率时间B CB CB CAAAA B CDDDDD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧TDM 帧天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院同步时分复用ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbcd时分复用#2#3#4用户天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab bcacd#2#3统计时分复用天津工业大学天津工业大

22、学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院数字载波复用标准 T-标准 （北美、日本） 24路PCM，每个话路占8位，还有1位帧同步码 一帧共有193bit T1的速率为1.544Mbps天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 E-标准（欧洲、中国、南美） E1次群：每个时间片分为32个通道（时隙）。每个时隙可容纳8b。 通道0用于同步，通道16用于信令，其他30个通道用于传输30个PCM话音数据。 E1速率：2.048Mbps天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.4.3 码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)

23、码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 码片 每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 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 8 bit 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

24、 +1) 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院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。 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院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(inner product)都是 0： 011miiiTSmTS(2-3)天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院码片序列的正交关系举例 令向量 S

25、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(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院 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 mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院CDMA 的工作原理 S 站的码片序列 S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 Sx

26、T 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天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院2.5 数据交换技术 为什么要采用交换？ 节省线路投资，提高线路利用率。 实现交换的方法有： 电路交换、报文交换和分组交换天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院1.电路交换两部电话机只需要用一对电线就能够互相连接起来。 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院更多的电话机互相连通 5 部电话机两两相连，需 10 对电线。 N 部电话机两两相连，需 N(N 1)/2对电线。 天

27、津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院使用交换机 当电话机的数量增多时，就要使用交换机来完成全网的交换任务。 交换机天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院“交换”的含义 “交换”(switching)： 转接把一条电话线转接到另一条电话线，使它们连通起来。 从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院电路交换的特点 电路交换必定是面向连接的。 电路交换的三个阶段：1.建立连接2.通信3.释放连接天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学

28、院电路交换举例A 和 B 通话经过四个交换机交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院电路交换举例C 和 D 通话只经过一个本地交换机交换机交换机交换机交换机用户线用户线中继线中继线BDCA天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院缺点 计算机数据具有突发性，这导致通信线路的利用率很低。 无纠错机制 建立连接的时间长优点 建立连接后，传输延迟小天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院报文交换 以报文为单位进行“ ”交换 在交换过程中，交换设备将接收到的报文先存储下来，待信道空闲

29、时再转发出去，一级一级中转，直到目的地。存储-转发无连接-传输之前不需要建立端到端的连接整个报文作为一个整体一起发送天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院优缺点 没有建立和拆除连接所需的等待时间 线路利用率高 传输可靠性较高 报文大小不一，造成存储管理复杂 大报文造成存储转发的延时过长，且对存储容量要求较高 出错后整个报文全部重发天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院报文分组交换的原理（一） 在发送端，先把较长的报文划分成较短的、固定长度的数据段。 1101000110101010110101011100010011010010假定这个报文较长不

30、便于传输天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院数 据数 据数 据报文分组交换的原理（二） 每一个数据段前面添加上首部构成分组。首部首部首部分组 1分组 2分组 3天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院分组交换的原理（三） 分组交换网以“分组”作为数据传输单元。 依次把各分组发送到接收端（假定接收端在左边）。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院分组交换的原理（四） 接收端收到分组后剥去首部还原成报文。数 据首部分组 1数 据首部分组 2数 据首部分组 3收到的数据天津工

31、业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院数 据数 据数 据分组交换的原理（五） 最后，在接收端把收到的数据恢复成为原来的报文。 这里我们假定分组在传输过程中没有出现差错，在转发时也没有被丢弃。报文1101000110101010110101011100010011010010天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院分组交换网的示意图H1A分组交换网BDECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组H2 向 H6 发送分组注意分组路径的变化！结点交换机主机天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院注意分组的存储转发过程H1A分组交换网B

32、DECH5H6H4H2H3H1 向 H5 发送分组结点交换机主机在结点交换机 A 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 C 暂存查找转发表找到转发的端口在结点交换机 E 暂存查找转发表找到转发的端口最后到达目的主机 H5天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院结点交换机有多个端口ABCDEH1H5H2H4H3H6高速链路 结点交换机123412341 2 3 41 2 3 41 2 3 4天津工业大学天津工业大学 电子与信息工程学院电子与信息工程学院结点交换机 在结点交换机中的输入和输出端口之间没有直接连线。 结点交换机处理分组的过程是：1.把收到的分组先放入缓存（暂时存储）；2.查找转发表，找出到某个目的地址应从哪个端口转发；3.把分组送到适当的端口转发出去。 天津工业大学天津工业大学 电子与信息工