第3章：物理层_2.ppt

1、1,第3章 物理层,2,上节问题： 问题1：通信（传输）系统分哪两种？ 问题2：数据通信方式按信号传输所需信道数目分，可分为哪几种？ 问题3：数据通信方式按信号传输方向与时间的关系分，可分为哪几种？ 问题4：数据通信方式按比特的脉冲信号同步方式分，可分为哪几种？ 问题5：数据通信方式按字符数据的起止确定方式分，可分为哪几种？ 问题6：下节实验用的五类线的带宽是？ 问题7：常见传输介质的误码率范围是：双绞线？基带同轴？宽带同轴？光纤？,3,信 源,发 送 器,传 输 系 统,接 收 器,信 宿,输入数据,发送信号,接收信号,输出数据,物理通信系统模型,实例,噪声源,4,指媒体上传输的是模拟信号。

2、 是一种不考虑其内容的模拟信号传输方式。 采用放大器。, 传输系统分类,指媒体传输的是数字信号。 它涉及信号的内容。 采用中继器。,模拟传输,数字传输,5, 模拟和数字传输总结,两种选择： 信号与模拟数据 占据相同的频谱 模拟数据被编码 到不同的频谱,用modem对数字数 据编码，产生模拟 信号。,用codec对模拟数 据编码，产生一 数字位流。,两种选择： 两个电压级代 表两个二进制 编码产生具有特 定性质的信号,模拟信号 数字信号,模拟数据 数字数据,6,Telephone,Modem,Analog signal,Analog signal （调制在载波频率）,Analog data （声

3、波）,Digital data （二进制电压脉冲）,CODEC,Digital signal,Digital signal,Analog signal,Digital data, 模拟和数字传输总结,Digital Transmitter,7,I/O 或 Modem,I/O 或 Modem,Text,Text,(1)输入信息 m (2)输入数据 g(t) (3)传输信号 s(t),(4)接收信号 r(t) (5)输出数据 g (t) (6)输出信息 m,例如：PC用户希望发送一段报文给另一个用户,(1) (2) (3) (4) (5) (6),点-点直接数据通信,传输 系统,数据通信发生在两个

4、通过某种点点传输媒体直接连接的设备之上。,8,源,发送器,接收器,目标,源系统,目标系统,LAN,WAN,Switching node,包含子网的数据通信,传输 系统, 电路交换 包交换 帧中继 ATM ISDN、B-ISDN 租用专线,9,PSTN：电 路 交 换 ( Public Switched Telephone Network ) 公用交换电话网,远距离站通过公共电话交换机连接,PSTN,目标modem将模拟信号恢复成数字信号；,源modem在将数字信号传输到电话线上之前先将其转换成模拟信号；,10,通信是共享的； 专为传输数据而设计；,PSDN: 包交换和帧中继 ( Packet

5、Switched Data Network ) 分组交换数据网,X.25 Frame Relay,LAN,LAN,LAN,LAN,11,11.11.11.11,22.22.22.22,ATM,ATM switch,12,ISDN是专为在数字线路上传输音频、视频和数据而设计的,综合业务数字网 (Integrated Serviced Digital Networks),ISDN,NTE,NTE,NTE,NTE,基本速率：2B+D (144kbps) 主速率： 23B+D (1.544Mbps),13,Leased circuit,租用公共电路连接不同站点； 通信信道是专用的；,租 用 线 路 T

6、载体/E载体/DDN (Digital Data Network 数字数据网),LAN,Voice,Voice,LAN,Voice,LAN,14,Hub,Router,Server,LAN,地理区域有限； 统一管理； 数据速率高；,15,影响选择媒体的因素：成本、数据速率 在基带传输数字数据信号的编码方式主要有： 非归零码NRZ； 曼彻斯特（manchester）编码； 差分曼彻斯特（difference manchester）编码。,26,两种选择： 信号与模拟数据 占据相同的频谱 模拟数据被编码 到不同的频谱,用modem对数字数 据编码，产生模拟 信号。,用codec对模拟数 据编码，产

7、生一 数字位流。,两种选择： 两个电压级代 表两个二进制 编码产生具有特 定性质的信号,模拟信号 数字信号,模拟数据 数字数据,27,1.非归零码NRZ,NRZ码的缺点是无法判断一位的开始与结束，收发双方不能保持同步； 为保证收发双方的同步，必须在发送NRZ码的同时，用另一个信道同时传送同步信号； 如果信号中“1”与“0”的个数不相等时，存在直流分量。,28,2.曼彻斯特（manchester）编码,曼彻斯特编码的规则： 每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分； 前T/2传送该比特的反码，后T/2传送该比特的原码； 曼彻斯特编码的优点： 每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时 间间

8、隔可以是T/2或T； 利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号； “自含钟编码”信号，发送时无需另发同步信号。,0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1,曼氏,29,差分曼彻斯特（difference manchester）编码,差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的改进。 差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码不同点主要是： 每比特的中间跳变仅做同步之用； 每比特的值根据其开始边界是否发生跳变来决定; 一个比特开始处出现电平跳变表示传输二进制0,不发生跳变表示传输二进制1。,0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1,曼氏 差分曼氏,30,数字数据编码信号的波形,低0 高1 高0 低1,下跳0 上跳1,

9、交接处跳0 不跳1,31,信噪比 数据速率 带宽 编码模式, 影响数据成功接收的重要因素,信号频谱 时钟 差错检测 信号干扰和噪声抗扰性 成本和复杂性, 评估或比较不同编码技术,接收器必须了解每一位的时间,3.3.3 数字数据编码方法,32,3.3.4 脉冲编码调制方法(PCM),PCM 典型应用：语音数字化,digitizer,Modulator,Analog data (voice),Digital data (NRZ),Analog data (ASK),33,两种选择： 信号与模拟数据 占据相同的频谱 模拟数据被编码 到不同的频谱,用modem对数字数 据编码，产生模拟 信号。,用co

10、dec对模拟数 据编码，产生一 数字位流。,两种选择： 两个电压级代 表两个二进制 编码产生具有特 定性质的信号,模拟信号 数字信号,模拟数据 数字数据,34,3.3.4 脉冲编码调制方法(PCM),PCM操作三步曲： 采样（又称抽样，Nyquist 采样定理，倍宽定频） 量化（8/16/128级，取整定级） 编码（ log2 K，取对数定位）,数字传输,抽 样,量 化,编 码,解 码,滤 波,模拟信号,输出信号,PCM的信号处理,35,相当于用脉冲S(t)对模拟信号f(t)进行脉冲调制。,模拟信号的采样（抽样）,从时间上连续的信号中取出“样品”，使连续信号成为一串时间上离散的“样值”序列。,

11、即抽样后得出的一串在时间上离散的样值。,抽样,样值序列(或样值信号),抽样过程,采样定理（Nyquist ）,如果在规定的时间间隔内，以高于两倍最高有效信号频率的速率对信号f(t)进行采样的话，那么这些采样值包含了原始信号的全部信息。利用低通滤波器可从这些采样中重新构造出函数f(t)。,36,f(t),s(t),fs(t),Ts,fs(t),f(t),连续信号的抽样和抽样波形,PAM脉冲,抽样脉冲,原始信号,6.6,6.4,4.6,5.6,2.6,5.5,3.8,PAM脉冲：时间离散幅值连续,37,量化值与原样值的幅度差别。,量 化,量化,把样值信号的瞬时幅度分成许多度量单位，一个度量单位称为

12、一个量化级，用量化级的大小来表示瞬时样值。,量化误差e(t) 量化值 样值,把样值信号的无限多个可能的取值，近似地用有限个数的数值来表示。,量化级,量化误差,38,fs(t),7,6,5,6,3,6,4,样值信号量化及脉冲代码波形,PCM脉冲,fs(t) ：量化样值信号函数 PCM输出：100011110110111101110,100 011 110 110 111 101 110,fs(t),fs(t),f(t),6.6,6.4,4.6,5.6,2.6,5.5,3.8,PAM脉冲,39,编码,编 码,在二进制码中，由n位代码可组成2n个不同的码字，可表示2n个不同的量化信号数值。 n越大，

13、在相同的编码信号范围内，其量化级的值就愈小，量化就愈精细,实现,把数字信号码组变换成相应的电压或电流量，恢复成原量化的样值信号。,解码,编码处理使离散的量化样值成为合适的二进制数字码组。,若有K个量化级，则编码时需要log2 K 位长的码,40,3.3.4 脉冲编码调制方法(PCM),PCM用于数字语音系统： 声音分为128个量化级； 每个量化级采用7位二进制编码表示； 采样速率为8000样本/秒； 数据传输速率应达到7位8000/秒 =56kb/s； 如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示; 数据传输速率应达到8位8000/秒 = 64kb/s。,41,两种选择： 信号与模拟数据 占据

14、相同的频谱 模拟数据被编码 到不同的频谱,用modem对数字数 据编码，产生模拟 信号。,用codec对模拟数 据编码，产生一 数字位流。,两种选择： 两个电压级代 表两个二进制 编码产生具有特 定性质的信号,模拟信号 数字信号,模拟数据 数字数据,42,为了有效传输需要高频 调制可允许频分多路复用, 调制解调,将一个输入信号m(t)与频率为fc的载波结合以便产生一个带宽以fc为中心的信号s(t)的过程。, 为什么对数字数据进行调制解调？,只有模拟传输设施可用。, 为什么对模拟数据进行调制解调？,43,1、信息和数据: 信息(Information)：从哲学的观点看，信息是一种带普遍性的关系属

15、性，是物质存在方式及其运动规律、特点的外在表现； 从通信的角度考虑，可以认为是生物体或具有一定功能的机器通过感觉器官或相应设备同外界交换的内容的总称。信息的含义是信息科学、情报学等学科中广泛讨论的问题。 一般认为，信息是客观世界内同物质、能源并列的三大基本要素之一。 香农：I=log2（1/P） I是消息的信息量，P是事件发生的概率，不可能发生事件信息量 = 无穷 信息总是与一定的形式相联系，这种形式可以是语音、图像、文字等； 信息是人们要通过通信系统传递的内容。 数据是任何描述物体概念、情况、形势的事实、数字、字母和符号。可以说，数据是传递信息的实体（载体），而信息是数据的内容或解释。,3.

16、4 基带传输技术 3.4.1 基带传输的定义,一、数据通信的主要基本概念,44,2、信号(Signal)： 发送机将人或机器产生的信息转换为适合在通信信道上传输的电编码、电磁编码或光编码。 这种在信道上传输的电/光编码叫做信号。 信号可以是模拟信号或数字信号。 模拟信号是指表示信息的信号及其振幅、频率、相位等参数随着信息连续变化，幅度必须是连续的，但在时间上可以是连续的或离散的。(PAM) 数字信号是指表示计算机二进制的比特序列的典型的矩形脉冲信号。(PCM) 3、信道：在数据通信系统中，信道是传送信号的通路。 信道本身可以是模拟的，也可以是数字方式的。 用以传输模拟信号的信道叫作模拟信道；

17、用以传输数字信号的信道叫作数字信道。,一、数据通信的主要基本概念,45,4、信道带宽：信道上传输的是电磁波信号，某个信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。 数据通信系统的信道传输的是电磁波(包括无线电、微波、光波等)，带宽就是它所能传输电磁波的最大有效频率与最小有效频率之差。 5、信道容量：信道的传输能力是有一定限制的，某个信道传输数据的速率有一个上限，叫作信道的最大传输速率，即信道容量。 信道的最大传输速率是与信道带宽有直接联系的。,一、数据通信的主要基本概念,46,6基带传输与频带传输 基带和频带的概念最早是在电话界出现的，在电话界，人们将4KHz带宽以内的信道叫做基带信道，而

18、将任何高于4K带宽的信道叫做宽带信道。 计算机网络中采用如下概念： 基带传输(Baseband) 人们将数据信道直接传输数字信号的传输方式叫做基带传输。 基带传输的优点： 在基本不改变数字数据信号波形的情况下直接传输数字信号，具有速率 高和误码率低等优点，在计算机网络通信中被广泛采用。 频带传输(Broadband) 利用模拟信道传输信号的传输方式叫做频带传输或宽带传输。 频带传输的优点： 可以利于现有的大量模拟信道(如模拟电话交换网)通信。价格便宜，容易实现。 家庭用户拨号上网就属于这一类通信。 它的缺点是速率低，误码率高。,一、数据通信的主要基本概念,47,带宽 ：信道能够传送电磁波的有效

19、频率范围就是该信道的带宽。 有时，也把信号所占据的频率范围叫做信号的带宽。 信号传播速度：信号在信道上每秒钟传送的距离，单位是米/秒。 信号传播速度接近光在真空中的速度，基本上是20万公里/秒。 数据传输速率：每秒钟传输构成数据代码的二进制比特数，单位为比特/秒 or b/s(bps)，（or Kb/s、Mb/s、Gb/s与Tb/s） 如：在100Mbps传输速率的情况每比特传输时间为10ns； 在10Mbps传输速率的情况下，每比特传输时间为100ns。 最大传输速率： 每个信道传输数据的速率有一个上限，叫做信道的最大传输速率。( = ? ) 波特率(码元速率)： 信号每秒钟变化的次数（或者

20、单位时间内所传输的波形个数）叫做波特率(Baud)。一般称为调制速率。Dbaud = 1/T 6. 吞吐量：信道在单位时间内成功传输的信息量。单位一般为比特/秒(bps)。 例如，某信道在10分钟内成功传输了8.4M比特的数据， 那么它的吞吐量就是8.4M比特/600秒=14Kbps。,二、数据通信的主要技术指标,48,7. 利用率：是吞吐量和最大数据传输速率之比。 8. 延迟：指从发送者发送第一位数据开始，到接收者成功的收到最后一位数据为止，所经历的时间。 9. 抖动(Jitter):延迟不是固定不变的，它的实时变化叫做抖动。 抖动往往与机器处理能力、信道拥挤程度等有关。延迟敏感，如电话；抖

21、动敏感，如实时图像传输。 10. 差错率(包括比特差错率、码元差错率、分组差错率)： 在计算机通信中最常用的是比特差错率和分组差错率。比特差错率是二进制比特错传的位数与传输总位数之比。码元差错率(对应于波特率)指码元被误传的概率。分组差错率是指数据分组被误传的概率。 我们通过一个对线路的描述来说明上述概念：有一条带宽3000Hz的信道，最大传输速率可以达到30Kbps，实际使用的数据传输速率为28.8Kbps，传输信号的波特率为2400bps，它的吞吐量为14Kbps，所以利用率约等于50%，延迟约为100ms，由于环境稳定，所以抖动很小，忽略不计。,二、数据通信的主要技术指标,49,传输前的

22、信号 比特率：2 Kbps,以不同带宽传输后的信号,带宽: 500Hz,带宽: 2.5 KHz,带宽: 4 KHz,带宽被限制会引起信号失真 (越宽越好) 传输媒体的带宽越高成本也越高 传输媒体的选择取决于投资成本和被传信号的质量,3.4.2 通信信道带宽对基带传输的影响,50,信道速率的极限值,奈奎斯特准则：在有限带宽、无噪声的信道上， （Nyquist） 二进制数据信号的最大数据传输速率 Rmax与通信信道带宽B（B=f，单位Hz） 的关系为Rmax=2f（b/s）。 离散无噪声的数字信道信道容量 = 2Blog2 M 香农定理： 在有随机热噪声的信道上传输数据信号时， （Shannon）

23、数据传输速率Rmax与信道带宽B，信噪比S/N 的关系为Rmax = Blog2（1+S/N） S/N为信噪比。 实际带噪声的模拟信道容量 = Blog2 (1+S/N),3.4.3 数据传输速率的定义与信道速率的极限,51,3.5 频带传输技术3.5.1 电话交换网的结构,分级交换层次结构（5级制）端局+汇接局最高的汇接局之间全连接,52,3.5.2 频带传输的定义,利用模拟信道传输数据信号的方法称为频带传输； 调制解调器（modem）是频带传输中最典型的通信设备； 调制解调器的作用是： 发送端将计算机中的数字信号转换成能在电话线上传输的模拟信号 接收端将从电话线路上接收到的模拟信号还原成数

24、字信号,53,3.5.3 调制解调器的基本工作原理,Modem 分类 按照功能分为： 普通Modem，用于有线电视的Cable Modem 按照外形分为： 外接式，插卡式(IDE、PCI)，PCMCIA，无线 按照通信线路分为：拨号(异步)，专线(同步) 按照调制方式分为：调频，调相，调幅，混合调制,54,3.5.3 调制解调器的基本工作原理,55,modem实现全双工通信的工作原理,56,3.6 多路复用技术,多路复用的基本概念,多路复用：在一条物理线路上建立多条通信信道,57,为了提高信道利用率，使多路信号沿同一物理线路传输而互不干扰的技术。,MUX,DEMUX,1 link, n cha

25、nnels,n inputs,n outputs, 多路复用(multiplexing),为什么多路复用,数据速率越高传输设施的成本有效就越高。 大多数个人数据通信设备要求相对低的数据率。,多路复用的基本概念,58,信号之间的差别。 频率上的不同、信号出现时间上的不同或信号码型结构上的不同。, 实现多路复用的关键,把多路信号汇合到一条信道上之后，在接收端必须能正确地分割出各种信号。, 分割信号的依据, 多路复用技术分类,频分多路复用(FDM) 以信道频带分割 波分多路复用(WDM) 以信道频带分割（光波） 时分多路复用(同步TDM) 以信道传输时间分割 同步时分多路复用(Synchronous

26、 TDM，STDM) 统计时分多路复用TDM(asynchronous TDM， 异步TDM或智能TDM),3.6.1多路复用技术的分类,59,频分复用FDM,60,波分复用：FDM的变形,F2,F1,F3,光谱,F1,F2,F3,共享光纤的光谱,光纤2,光纤3,光纤1,共享光纤,采用无源设备，更可靠,棱柱/衍射光栅,61,时分复用,62,3.6.2 频分多路复用,在一条通信线路设计多路通信信道; 每路信道的信号以不同的载波频率进行调制; 各个载波频率是不重叠的,那么一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。,63,每个数据信号被调制到具有不同频率的载波上，所有的信号在一个物理线路上同时传送。

27、,channel 1,channel 4,channel 3,channel 2,Time,Frequency,频分多路复用,(FDM，Frequency Division Multiplexing),宽带模拟传输技术,64,Subcarrier fsc1,FDM一般描述,Subcarrier fsc2,Subcarrier fscN,Transmiter fc,m1(t),m2(t),mN(t),s(t)=FDM,mc(t),ssc1(t),ssc2(t),sscN(t),(a) 发送器,65,|Mc(f)|,fsc1,fsc2,fscN,BscN,Bsc2,Bsc1,B,f,0,(b) 组

28、成信号的频谱,FDM一般描述,66,Receiver,Bandpass filter,fsc1,Bandpass filter,fsc2,Bandpass filter,fscN,Demodulator, fsc1,Demodulator, fsc2,Demodulator, fscN,s(t),m1(t),m2(t),mN(t),(c) 接收器,FDM一般描述,67,使用FDM在一条物理线路上同时传送三路语音信号,|Mi(f)|,f(Hz),0,300,3400 4000,64,60,68,f(kHz),f(kHz),Upper sideband,Lower sideband,60,64,6

29、8,72,Lower sideband,Ssc1(t),Lower sideband,Ssc3(t),(a)Mi(f)的频谱,(b)fsc1=64kHz的频谱,(c)使用子载波64,68,72 的合成信号频谱,68,12 48kHz 60-108kHz 基群 基群 60 240kHz 312-552kHz 超群 超群 (5*12) (5*48) 300 1.232MHz 812-2044kHz 主群 (5*60) (5*240+4*8) 600 2.52MHz 564-3084kHz 主群,北美及国际FDM载波标准,语音 信道数 带宽 频谱 AT 在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为

30、密集波分复用DWDM (同一波段中信道间隔小于1.6nm的波分多路复用，Dence Wavelength Division Multiplexing) 目前一根单模光纤的数据传输速率最高可以达到20Gb/s 。 星型结构的交换式FDM可支持几百条光纤信道的复用。,F2,F1,F3,光谱,F1,F2,F3,共享光纤的光谱,光纤2,光纤3,光纤1,共享光纤,棱柱/衍射光栅,71,3.6.3 波分多路复用 光的频分多路复用,利用衍射光栅实现多路不同频率光波信号的合成与分解,衍射光栅完全无源 因而可靠性高,72,光纤到楼,73,3.6.4 时分多路复用,时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时

31、间片； 每个用户分得一个时间片； 在其占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。,同步时分多路复用STDM 将时间片固定、平均分配 统计时分多路复用ATDM 动态分配时间片,74,75,(TDM, Time Division Multiplexing),channel 1,channel 4,channel 2,Time,Frequency,channel 1,channel 2,channel 3,以信道传输时间作为分割信号的依据。,基带传输技术, 同步时分多路复用,3.6.4 时分多路复用,76,同步TDM的一般描述,Buffer,Buffer,Buffer,Modem,Scan ope

32、ration,m2(t),m1(t),mN(t),mc(t),s(t),(a) 发送器,77,1,(b) TDM帧,Frame,时间片：空或满,Buffer,Buffer,Buffer,mc(t),m1(t),m2(t),mN(t),Scan operation,(c) 接收器,2,3,N,1,Frame,2,3,N,同步TDM的一般描述,78, TDM的实质,m1(t),m2(t),mn(t),低通滤波,低通滤波,低通滤波,m1(t),m2(t),mn(t), n路时分复用系统的关键,收发端旋转开关必须严格的同步，即同频同相，才能保证正常的通信。,利用了采样原理,总时间T划分的时间片数N =

33、 复用器输入端的低速线路数,复用器输出线路容量 复用器输入线路容量,79,实例：Bell 贝尔系统的T1载波 PCM+TDM,24路音频信道复用在一条通信线路上； 每路音频模拟信号在送到多路复用器之前，要通过一个PCM编码器； 编码器每秒取样8000次； 24路PCM信号的每一路轮流将一个字节插入到帧中； 每个字节的长度为8位，其中7位是数据位，1位用于信道控制； 每帧由248=192位组成，附加一位作为帧开始标志位，所以每帧共有193位； 发送一帧需要125毫秒； T1载波的数据传输速率为1.544Mb/s。 (? P89),80,PCM,PCM,PCM,PCM,PCM,PCM,MUX,DE

34、MUX,DS-1 frame,实例：Bell 贝尔系统的T1载波 PCM+TDM,channel #1,channel #2,. . . . . . .,channel #24,定帧位,193 bits,8 bit,125 ms,其中每个channel称为 DS0,DS-1帧,24路,81,T 载体服务,DSI,DSIC,DS2,DS3,DS4,DSIC,DS2,DS2,DS2,DS2,DS2,DS2,DS3,DS3,DS3,DS3,DS3,DSI,DS1: 1.544Mbps,DS1C: 3.152Mbps,DS2: 6.312Mbps,DS3: 44.736Mbps,DS4: 274.176Mbps,82,T1 (1.544Mbps) T2 (6.312Mbps) T3 (44.736Mbps) T4 (274.176Mbps),T 载体是高速租用线路，用于语音和数据传输。,利用多路复用技术，T 载体服务允许小容量载体(比如T1)的位流进入容量更大的载体。,0,4,1