物理层总结课件

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

2.2.1数据通信系统的模型

2.2.2有关信道的几个基本概念

2.2.3信道的极限容量

2.2.4信道的极限信息传输速率2.3物理层下面的传输媒体

2.3.1导向传输媒体

2.3.2非导向传输媒体1第2章物理层（续）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

2.4.2波分复用

2.4.3码分复用2.5数字传输系统2.6宽带接入技术

2.6.1xDSL技术

2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）

2.6.3FTTx技术2重点物理层的基本功能信道的极限容量、信道的极限信息传输速率等几个基本概念，信道复用技术基本工作原理数字传输系统基本工作原理宽带接入技术基本工作原理难点正确区分并计算信道的极限容量、信道的极限信息传输速率等；3

物理层（physicallayer）任务：在两个具有物理介质相连的接点间传送比特流。协议(标准)：规定了物理接口的各种特性：机械特性：物理连接器的尺寸、形状、规格；电气特性：信号的表示方式，脉冲宽度和频率，数据传送速率，最大传输距离等；功能特性：接口引（线）脚的功能和作用；过程特性：信号时序，应答关系，操作过程。功能：建立和拆除物理连接、位流传输、管理例：RS-232、RJ45、RJ11、RS-449、V.24、V.35、G.703/G.704…010101…2.1物理层的基本概念4RS-232-C是美国电子工业协会(ElectricalIndustrialAssociation)于1973年提出的串行通信接口标准；主要用于数据终端设备DTE（DataTerminalEquipment，如计算机、终端等设备)与数据电路终端设备DCE（DataCircuit-terminalEquipment，如调制解调器、中继器、多路复用器、交换机等)之间的接口规范；对应于OSI模型中的物理层。5（1）RS-232-C机械特性标准的RS-232-C接口使用25针DB连接器（插头/插座）;可简化为9针和15针两种;机械特性规定了物理连接时对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及排列方式、锁定装置形式等。

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RS-232-C(15)RS-232-C(9)6特点：信号电平使用负逻辑逻辑‘1’用负电平（-5~-15V）表示；逻辑‘0’用正电平（+5~+15V）表示数据传输率支持100、300、600、1200、2400、4800、9600、19.2K、33.6K、56K

1200bps，传输距离<=

100m，9600bps，传输距离<=

50m,>=19.2kbps,传输距离<=15m。(2)RS-232-C电气特性7（3）RS-232-C功能特性25芯引脚号线的编号接口电路名称DTE--DCE数据控制定时地线1AA屏蔽地PG——7AB信号地GND——2BA发送数据TxD3BB接收数据RxD4CA请求发送RTS5CB允许发送CTS6CC数据设备准备好DSR20CD数据终端准备好DTR8CF载波检测CD821CG信号质量检查SQD23CH数据信号速率选择(DTE)18CI数据信号速率选择(DCE)24DA发送信号码元定时(DTE)TxC15DB接收信号码元定时(DCE)TxC17DD接收信号码元定时(DCE)RxC14SBA备用信道发送数据16SBB备用信道接收数据19SCA备用信道请求发送13SCB备用信道允许发送12SCF备用信道载波检测22CE呼叫指示器RS-232-C功能特性（conti.)9（4）RS-232-C过程特性DTEDCE10交叉电缆RS-232-C除了作为DTE-DCE之间的连接标准外，也可用作DTE—DTE(如计算机与如计算机，如计算机与显示器，如计算机与打印机等之间的连接。但连接方式需进行调整。112.2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12几个术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。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。13信号传输速率B--每秒传输的码元数，单位为波特，记作Baud。

计算公式:B=1/T(Baud)

......⑴

式中T为信号码元的宽度，单位为秒．信号传输速率也称波特率。数据传输速率R--每秒传输二进制信息的位数，单位为位/秒，记作bps。

计算公式:R=1/T*log2

N(bps)

......⑵

式中T为一个码元信号的宽度，单位为秒；

N为对一个码元编码采样的离散值的个数；

log2

N为每个码元的bit数。 数据传输速率也称比特率。波特率与比特率t码元1码元2码元3码元4码元5信号

码元（Codecell）：时间轴上一个信号的编码单元。T14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15波特率与比特率的关系由⑴、⑵式得：

R=B*log2

N

(bps)

......⑶

或B=R/log2

N

(Baud)

......⑷

[例]采用四相调制方式，即N=4，且一个数字脉冲信号的宽度T=833x10-6秒,则：（1）f=1/（833*10-6

）=1200Hz

（2）R=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400(bps)

（3）B=1/T=1/(833x10-6)=1200(Baud)

*162.2.2有关信号的几个基本概念单向通信（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。17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）。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。

19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202.2.3信道的极限容量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。21信道容量（信道最大数据传输速率）

信道容量：一个信道的最大数据传输速率，单位：位/秒(bps)

信道容量与数据传输速率的区别：信道容量表示信道的最大数据传输速率，是信道传输数据能力的极限；数据传输速率是实际的数据传输速率。像公路上的最大限速与汽车实际速度的关系一样。影响信道容量的主要因素是噪音。

22数字信号通过实际的信道有失真，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23Nyquist证明，无噪声下的信道的最大信号传输速率Rmax与信道带宽B的关系，即奈奎斯特--无噪信道容量公式：

Rmax=2*B*log2N(bps)

式中B为信道的带宽，单位为Hz；

N为对一个码元抽样的离散值个数。

说明在无噪声的理想条件下，信道的容量与采样量化从正比。[例]普通电话线路带宽约3kHz，若码元抽样的离散值个数N=16，则最大数据传输速率：

Rmax=2*3k*log216=24kbps。

(1)无噪声下的信道容量（奈奎斯特定理）

N最大数据率

26000b/s412000b/s818000b/s1624000b/s3230000b/s24(2)有噪声下的信道容量（山农定理）Shannon证明，对于带宽为B，信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据传输率Rmax为

Rmax=B*log2(1+S/N)(bps)

其中S/N为信号功率与噪声功率的比，称为信噪比(Signal-to-NoiseRatio)；我们一般使用数值10*log10S/N---分贝(dB)来表示信噪比。[例]已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。∵10log10(S/N)=30

∴S/N=10(30/10)=1000

∴Rmax=3klog2(1+1000)≈30kbps‘S/N’是一个符号25Nyquist公式和Shannon公式的比较C=2Blog2N用于理想信道数据传输率随信号抽样的离散值个数增加而增加。C=Blog2（1+S/N）用于有噪声信道（实际的信道总是有噪声！）无论信号抽样的离散值个数增加到多少，此公式给出了有噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。原因：噪声的存在将使抽样的离散值个数不可能无限增加。26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。272.3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)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱28传输介质有线介质双绞线同轴电缆光纤无线介质无线电微波（大地微波、卫星微波）红外线（毫米波）激光292.3.1双绞线双绞线(TP)--由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。屏蔽双绞线STP（IBM）Type1或Type2非屏蔽双绞线UTP（EIA/TIA）Cat1:一对线组成，用作电话线,9600bps；Cat2:一对线组成，用作ISDN或T1/E1线路1.54MbpsCat3:四对线组成，用作10Mbps或100Mbps以太网；Cat5:四对线组成，用作100Mbps以太网；特点距离短：100m—5000m，传输容量：100Mbps以内；价格便宜;低频(10kHz以下)抗干扰性能强于同轴电缆，高频(10-100kHz)抗干扰性能弱于同轴电缆。30

双绞线的连接标准色彩标记和连接方法：直连线：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线EIA-568B直连线EIA-568A312.3.2同轴电缆铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套基带电缆粗缆非中继传输距离<10kmRmax=10Mbps细缆（便宜的同轴电缆）非中继传输距离185米Rmax=10Mbps宽带电缆非中继传输距离<100kmRmax=900Mbps传有线电视322.3.3光纤光纤--由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成的。带宽频率范围：50THz数据传输率：100Gbps实际使用：10Gbps,原因：光/电、电/光转换的速度跟不上;光电子技术/光子技术通过光纤中光的波长0.85μm/1.3μm/1.55μm33光纤及光缆构成玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳单芯光缆多芯光缆34单模光纤和多模光纤多模光纤（multi-modefiber）内芯直径稍大,其中有多个光沿不同的方向同时传播。直径为62.5μm使用普通发光二极管作为光源波长为0.85um中继距离2公里单模光纤（single-modefiber）内芯直径较小，与光的波长接近，光沿同一方向传播。直径为8～10μm使用激光源,波长为1.55um中继距离100公里激光器光检波器单束光线沿直线传播多束光线以不同的反射角传播激光器包层折射率低纤芯折射率高亮度调制光检波器35光纤的特点优点高带宽、高数据传输率抗电磁干扰强，数据传输安全、可靠抗腐蚀衰减小缺点单向传输光纤接口价格昂贵工艺复杂、安装技术复杂362.3.4无线介质无线介质是指信号通过空气传输，信号不被约束在一物理导体内无线介质主要包括无线电波微波（地面微波、卫星微波）红外线、激光37（1）无线电波无线电通信就是利用地面发射的无线电波通过电离层的反射而到达接收端的一种远距离通信方式。无线电通信使用的频率一般在3MHz至1GHz。无线电波的传播特性与频率有关。在低频上，无线电波能轻易地绕过一般障碍物，但其能量随着传播距离的增大而急剧递减。在高频上，无线电波趋于直线传播并易受障碍物的阻挡，还会被雨水吸收。38(2)微波对于频率在100MHz以上的无线电波，其能量将集中于一点并沿直线传播，这就是微波。微波通信是利用无线电波在对流层的视距范围内进行信息传输的一种通信方式，它使用的频率范围一般在1GHz至20GHz左右。由于微波只能沿直线传播，所以微波的发射天线和接收天线必须精确对准，而且每隔一段距离就需要一个中继站。中继站之间的距离与微波塔的高度成正比例。对于100m高的微波塔，中继站之间的距离可以达到80km。39

地面微波--通过地面站之间接力传送--接力站之间距离：50-100km--速率：每信道45Mb/s地球地面站之间的直视线路微波传送塔35,784公里地球

地球同步卫星--与地面站相对固定位置--使用3颗卫星即可覆盖全球--传输延迟时间长（≈270ms）--广播式传输--应用领域：

电视传输、长途电话、专用网络、广域网40

常用传输介质的比较传输介质传输方式速率/工作频带传输距离性能价格应用双绞线宽带基带≤1Gb/s模拟:10km数字:500m较好低模拟/数字信号传输50Ω同轴电缆基带10Mb/s<3km较好较低基带数字信号75Ω同轴电缆宽带≤450MHz100km较好较低模拟电视、数据及音频光纤基带40Gb/s20km以上很好较高远距离高速数据传输微波宽带4-6GHz几百km好中等远程通信卫星宽带1-10GHz18000km很好高远程通信41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42频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)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（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。频率时间频率1频率2频率3频率4频率543时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。TDM信号也称为等时(isochronous)信号。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。44时分复用频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧45时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧46时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧47时分复用频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧48时分复用可能会造成

线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。49统计时分复用

STDM

(StatisticTDM)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用501550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器512.4.3码分复用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名词是码分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号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。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。

52CDMA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。53CDMA的工作原理S站的码片序列S110ttttttm

个码片tS站发送的信号SxT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542.5数字传输系统

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。552.同步光纤网SONET和

同步数字系列SDH旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：速率标准不统一。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。

不是同步传输。在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。

56同步光纤网SONET同步光纤网

SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。第1级同步传送信号

STS-1(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。光信号则称为第1级光载波

OC-1，OC表示OpticalCarrier。57

同步数字系列SDH

ITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列

SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可认为SDH与SONET是同义词。SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块

(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。58SONET的体系结构光子层路径层线路层段层线路(line)光子层路径层线路层段层光子层线路层段层光子层段层光子层线路层段层光子层段层SDH终端SDH终端复用器或分用器复用器或分用器转发器转发器段段段路径(path)(section)(section)(section)59SONET标准定义了

四个光接口层光子层(PhotonicLayer)处理跨越光缆的比特传送。段层(SectionLayer)在光缆上传送STS-N帧。线路层(LineLayer)负责路径层的同步和复用。路径层(PathLayer)处理路径端接设备PTE(PathTerminatingElement)之间的业务的传输。

602.6宽带接入技术

2.6.1xDSL技术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。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。61xDSL的几种类型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）。62ADSL的极限传输距离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63ADSL的特点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。64DMT技术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。65DMT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)~40~138~110066ADSL的数据率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。67ADSL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)

68第二代ADSL

ADSL2（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(SeamlessRa