第二章 物理层

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1、模拟传输：传输模拟信号（或连续信号）频带传输：数字信号－〉模拟调制（音频）宽带传输：数字信号－〉宽带模拟信号

300MHz－450MHz一、信号传输方式调幅(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。最基本的二元制调制方法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。举例为达到更高的信息传输速率，采用多元制振幅相位混合调制方法。2、基带传输：将数字设备发出的数字信号直接发送到信道上去传输。对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道的特性相适应，变换后的信号仍然是基带信号。这种调制称为基带调制，也称为编码。常用的编码方法有曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码还可以提取同步时钟，使收发双方位同步。曼彻斯特和差分曼彻斯特编码曼彻斯特编码：“1”：“0”：（电平由高到低跳变为1，由低到高跳变为0）差分曼彻斯特编码：“1”：“0”：（码元起始处电平无跳变为1，有跳变为0）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。2.2.3信道的极限容量有失真，但可识别失真大，无法识别数字信号通过实际的信道实际的信道（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

信道能够通过的频率范围香农(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。

(2)信噪比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。香农公式表明：注意：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。物理媒体(介质)屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)双绞线同轴电缆基带同轴电缆

一条电缆只用于一个信道，50，用于数字传输宽带同轴电缆

一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器

铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套玻璃封套塑料外套玻璃内芯单芯光缆多芯光缆玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF

玻璃包层——125um典型的光缆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BS基站

用户计算机和终端BS无线电两个地面站之间传送距离：50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔地面微波接力与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球传输延迟时间长22,300公里地球地球同步卫星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1、机械特性:指明接口所用接线器的开关和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等；2、电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输距离等；3、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。4、过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。物理层规程的四个特性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。

四.物理层标准举例

1.EIA-232-E接口标准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EIA-232/V.24的信号定义(1)保护地(2)发送数据(3)接收数据(4)请求发送(5)允许发送(6)DCE就绪(7)信号地(8)载波检测(20)DTE就绪(22)振铃指示DTEDCE计算机或终端调制解调器两个DTE通过DCE

进行通信的例子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）请求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃指示（1）保护地（2）发送（3）接收（4）请求发送（5）允许发送（6）DCE就绪（7）信号地（8）载波检测（20）DTE就绪（22）振铃指示

RS-232C的DTE-DTE连接

RS-449由3个标准组成。即：RS-449规定机械功能和过程RS-423-A电气特性，非平衡方式RS-422-A

电气特性，平衡方式传输距离：10米时为10Mbps,1Km时为100kbps

RS-449接口标准

RS-485接口标准RS-485接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗干扰性好。最高传输速率为10Mbps

。RS-485接口的最大传输距离达3000米，另外RS-485接口在总线上是允许连接多达128个收发器。即具有多站能力,这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。

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。2.6宽带接入技术

2.6.1xDSL技术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）。xDSL的几种类型

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。例如，0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mb/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公里。如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里ADSL的极限传输距离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。ADSL的特点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。DMT技术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)~40~138~1100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的数据率ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线

电话分离器

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）电话分离器PS(POTSSplitter)

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。第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）

ADSL2+（G.992.5）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。2.6.2光纤同轴混合网

HFC(HybridFiberCoax)(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。HFC的主要特点(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HFC网采用结点体系结构同轴电缆光纤光纤结点头端高带宽光纤同轴电缆光纤HFC网(3)HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能下行信道上行信道5