第二講 物理層

1、第 2 章 物理層 2.1.1物理層的概念 物理層是為上層上層提供透明的比特流傳輸 物理層是所有分層模型的最底層，主要實現(xiàn)在傳輸介質(zhì)上透明 傳輸由0和1組成的比特流，使物理層的上層（數(shù)據(jù)鏈路層）感覺 不到這些差異的存在。 物理層需要解決以下的問題：物理層需要解決以下的問題： 1）實現(xiàn)位操作：保障由0和1組成的數(shù)字 比特流的正確發(fā)出、傳送和接收； 2）數(shù)據(jù)信號的傳輸：傳輸方式、速率、 持續(xù)時間、失真 3）接口規(guī)范 4）信號傳輸規(guī)程 物理層 鏈路層幀 bit 2.1 物理層的基本概念（書2.1，掌握） 2.1.2物理層的特性 可以將物理層的主要任務(wù)描述為與接口有關(guān)的4個特性 1.機械特性 (1)接

2、口的形狀、大小。 (2)接口引腳的個數(shù)、功能、規(guī)格，以及引腳的分布。 (3)相應(yīng)傳輸介質(zhì)的參數(shù)和特性。 2 電氣特性電氣特性 電氣特性規(guī)定了線路連接方式、適用元件、傳輸速率、信號電平、 電纜長度和阻抗以及信號的同步等。例如，位信號1和0的電壓的大小和1 比特占多少微秒(RS232: -3-15V表示1，高于+315V表示0）， (1)信號產(chǎn)生：如何將0和1轉(zhuǎn)換成信號，其中包括各種調(diào)制和解調(diào)方式。 (2)傳輸速率：對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的傳輸速率和調(diào)制速率進行測算。 (3)信號傳輸：調(diào)制、解調(diào)，失真控制 (4)編碼：10111100111111101 頭 數(shù)據(jù) 校驗碼 3. 功能特性（RS232） 確定物

3、理接口中每條線路的用途。 4. 過程特性 接口進行傳輸比特流的全過程以及事件發(fā)生的可能順序，它涉及信 號傳輸方式： (1)接口。接口與傳輸過程以及傳輸過程中各事件執(zhí)行的順序有關(guān)。 (2)傳輸方式。主要包括單工、半雙工和全雙工。 (3)傳輸過程及事件發(fā)生執(zhí)行的先后順序。 RS232的過程特性 當計算機加電時，它就將第20針設(shè)置為邏輯1 (-3V） 當調(diào)制解調(diào)器加電時，它將第6針設(shè)置為邏輯l， 當調(diào)制解調(diào)器檢測到電話線上的載波時，第8針置1。 計算機第4針置1，請求發(fā)送數(shù)據(jù)； 調(diào)制解調(diào)器第5針置1，表明調(diào)制解調(diào)器準備好接收數(shù)據(jù)。計算機通過發(fā)送 電路(第2針)發(fā)送數(shù)據(jù)； 調(diào)制解調(diào)器在接收電路(第3針

4、)上接收數(shù)據(jù)。 2.2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識（書2.2，掌握） 2.2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型 傳輸 系統(tǒng) 輸 入 信 息 輸 入 數(shù) 據(jù) 發(fā)送 的信號 接收 的信號 輸 出 數(shù) 據(jù) 源點終點發(fā)送器接收器 調(diào)制解調(diào)器 PC 機 公用電話網(wǎng) 調(diào)制解調(diào)器 數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號 輸入 漢字 顯示 漢字 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng) 源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng) 輸 出 信 息 PC 機 幾個術(shù)語 n數(shù)據(jù)(data)運送消息的實體。 n信號(signal)數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。 n“模擬的”(analogous)代表信息的參數(shù)的取值是連 續(xù)的。 n“數(shù)字的”(digital)代表信息的參數(shù)的取值是離散的。

5、 n碼元(code)在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表 示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。 幾個術(shù)語 n信道(channel)通信雙方以傳輸介質(zhì)為基礎(chǔ)的信號傳 遞通道。從微觀上講，信道是指信號在通過傳輸介質(zhì)時 所占用的一段頻帶。 n模擬信道和數(shù)字信道 n數(shù)字通信與模擬通信 第11頁 n信息通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸過程信息通過數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的傳輸過程 n把攜帶把攜帶信息信息的的數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)用物理用物理信號信號形式通過信道傳送到目的地形式通過信道傳送到目的地 n信息和數(shù)據(jù)（二進制位）不能直接在信道上傳輸信息和數(shù)據(jù)（二進制位）不能直接在信道上傳輸 n編碼編碼：數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)適合傳輸?shù)臄?shù)字信號適合傳輸?shù)?/p>

6、數(shù)字信號便于同步、識別、糾錯便于同步、識別、糾錯 n調(diào)制調(diào)制：數(shù)字信號：數(shù)字信號適合傳輸?shù)男问竭m合傳輸?shù)男问桨搭l率、幅度、相位按頻率、幅度、相位 n解調(diào)解調(diào)：接收波形：接收波形數(shù)字信號數(shù)字信號 n解碼解碼：數(shù)字信號：數(shù)字信號原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù) 信息數(shù)據(jù)信號在信道上傳輸信號數(shù)據(jù)信息 數(shù)據(jù)編碼調(diào)制解調(diào)數(shù)據(jù)解碼 01000001A01000001A 信道 2.2.2數(shù)據(jù)傳輸 n單向通信（單工通信）只能有一個方向的通 信而沒有反方向的交互。 n雙向交替通信（半雙工通信）通信的雙方都 可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不 能同時接收)。 n雙向同時通信（全雙工通信）通信的雙方可 以同時發(fā)送和接收信

7、息。 2.2.2數(shù)據(jù)傳輸 在通信過程中，發(fā)送方和接收方必須在時間上保 持一致才能準確地傳輸數(shù)據(jù)，這就叫做同步。在傳 送由多個碼元組成的字符，或由多個字符組成的數(shù) 據(jù)塊時，通信雙方也要就信號的起、止時間取得一 致，這種同步對應(yīng)了兩種傳輸方式：同步傳輸和異 步傳輸。 n同步傳輸(synchronous transmission)也稱 同步通信，它采用的是位同步位同步(以固定的時鐘 頻率來串行發(fā)送數(shù)字信號)技術(shù)；同步傳輸技 術(shù)又分為外同步和自同步兩種。 n異步傳輸 (asynchronous transmission) 也 稱異步通信，它采用的是“群”同步的技術(shù)。 第14頁 n位同步位同步：目的是使

8、接收端接收的每一位信息都與：目的是使接收端接收的每一位信息都與 發(fā)送端保持同步，發(fā)送端保持同步，2種同步方法：種同步方法： n外同步外同步發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同步脈沖信號，接收方用接發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)之前發(fā)送同步脈沖信號，接收方用接 收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。收到的同步信號來鎖定自己的時鐘脈沖頻率。 n自同步自同步通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)編碼信號通過特殊編碼（如曼徹斯特編碼），使數(shù)據(jù)編碼信號 中包含同步信號，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號提取同步信號來鎖定自中包含同步信號，接收方從數(shù)據(jù)編碼信號提取同步信號來鎖定自 己的時鐘脈沖頻率。己的時鐘脈沖頻率。 發(fā)送站 同步信號數(shù)據(jù) 接收

9、的同步信號鎖定后的同步信號 接收站 接收站收到的數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù) 異步傳輸：異步傳輸：數(shù)據(jù)被分成不同的群，接收端通過識別起始位和停止 位來接收數(shù)據(jù)，群內(nèi)的數(shù)據(jù)一般不再帶同步信息。 第16頁 n字符同步字符同步：找到正確的字符邊界。：找到正確的字符邊界。 n常用的為起止式（異步式）。在這種方式中，每個字常用的為起止式（異步式）。在這種方式中，每個字 符的傳輸需要：符的傳輸需要： n1個起始位、個起始位、58個數(shù)據(jù)位、個數(shù)據(jù)位、1、1.5或或2個停止位個停止位 n采用這種同步方式的通信也稱采用這種同步方式的通信也稱“異步通信異步通信”。 n起止式的優(yōu)缺點：起止式的優(yōu)缺點： n頻率的漂移不會積累，每個字符

10、開始時都會重新獲得同步；頻率的漂移不會積累，每個字符開始時都會重新獲得同步； n每兩個字符之間的間隔時間不固定；每兩個字符之間的間隔時間不固定； n增加了輔助位，所以傳輸效率低；增加了輔助位，所以傳輸效率低； n例如，采用例如，采用1個起始位、個起始位、 8個數(shù)據(jù)位、個數(shù)據(jù)位、 2個停止位時，其傳輸效個停止位時，其傳輸效 率為率為8/1173 起始位數(shù)據(jù)位停止位 字符間隔不固定 1個字符時間 邏輯 “0” 邏輯 “1” 第17頁 n幀同步幀同步：識別一個幀的起始和結(jié)束：識別一個幀的起始和結(jié)束。 幀（幀（Frame）：數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位：數(shù)據(jù)鏈路中的傳輸單位包含數(shù)據(jù)和包含數(shù)據(jù)和 控制信息的數(shù)據(jù)

11、塊控制信息的數(shù)據(jù)塊 n面向字符的面向字符的以同步字符（以同步字符（SYN，16H）來標識一）來標識一 個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀個幀的開始，適用于數(shù)據(jù)為字符類型的幀 n面向比特的面向比特的以特殊位序列（以特殊位序列（7EH，即，即01111110） 來標識一個幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀來標識一個幀的開始，適用于任意數(shù)據(jù)類型的幀 幀起始控制信息數(shù)據(jù)幀結(jié)束校驗和 0 n bit8bit8bit8-32m 7EH7EH 基帶傳輸基帶傳輸 數(shù)字數(shù)據(jù)（如數(shù)字圖像）使用數(shù)字傳輸信號進行傳輸即 基帶傳輸。基帶傳輸一般使用了傳輸媒體的整個頻帶范圍。 頻帶傳輸頻帶傳輸 數(shù)字數(shù)據(jù)利用模擬信道的一段

12、頻帶進行傳輸，必須先將數(shù) 字數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號再進行傳輸。 調(diào)制：調(diào)制：數(shù)字數(shù)據(jù)模擬化 解調(diào)：解調(diào)：模擬信號還原為原來的數(shù)字數(shù)據(jù) 調(diào)制就是用基帶脈沖對載波波形（正弦波e=Asin(t+） ） 某個參數(shù)進行控制，形成適合于線路傳送的信號。當已調(diào) 制信號到達接收端時，再進行解調(diào)，即將經(jīng)過調(diào)制器變換 過的模擬信號去掉載波恢復成原來的基帶數(shù)字信號。 一、數(shù)字數(shù)據(jù)模擬化 最基本的調(diào)制方法有：最基本的調(diào)制方法有： e=Asin(t+） (1)調(diào)幅(AM)，即載波的振幅A隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0或1 分別對應(yīng)于無載波或有載波輸出。 (2)調(diào)頻(FM)，即載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0或1 分

13、別對應(yīng)于頻率為f1或f2 。 (3)調(diào)相(PM)，即載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。例如，0 或1分別對應(yīng)于相位0度或180度。 正交振幅調(diào)制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) r (r, ) 可供選擇的相位有 12 種， 而對于每一種相位有 1 或 2 種振幅可供選擇。 由于4 bit 編碼共有16 種不同的 組合，因此這 16 個點中的每個 點可對應(yīng)于一種 4 bit 的編碼。 若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進行 解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。 舉例 第21頁 二、模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化二、模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化 （脈沖代碼調(diào)制，Pulse

14、Code Modulation，PCM) n采樣定理：采樣定理： n如果模擬信號的最高頻率為如果模擬信號的最高頻率為F，若以，若以2F的采樣頻率對其的采樣頻率對其 采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出采樣，則采樣得到的離散信號序列就能完整地恢復出 原始信號。原始信號。 n要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號要轉(zhuǎn)換的模擬數(shù)據(jù)主要是電話語音信號 n語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號語音信號要在數(shù)字線路上傳輸，必須將語音信號 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這需要經(jīng)過三個步驟：轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。這需要經(jīng)過三個步驟： n采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣采樣：按一定間隔對語音信號進行采樣 n量化：對每個

15、樣本舍入到量化級別上量化：對每個樣本舍入到量化級別上 n編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼編碼：對每個舍入后的樣本進行編碼 n編碼后的信號稱為編碼后的信號稱為PCM信號信號 (脈碼調(diào)制脈碼調(diào)制, Pulse Coded Modulation) 第22頁 n話音信道帶寬話音信道帶寬 2倍話音最大頻率倍話音最大頻率) n量化級數(shù)：量化級數(shù)：256級級 (用用8位二進制碼表示位二進制碼表示) n數(shù)據(jù)率：數(shù)據(jù)率：8000次次/s*8bit = 64kbit/s n每路每路PCM信號的速率信號的速率 = 64000bit/s 采樣電路量化和編碼 第23頁 PCM轉(zhuǎn)換過程舉例 第24頁 三、數(shù)字數(shù)據(jù)變換為數(shù)

16、字信號三、數(shù)字數(shù)據(jù)變換為數(shù)字信號 （在書（在書3.3.2節(jié)詳細講以太網(wǎng)使用的曼徹斯特(Manchester)編碼 等） n編碼的目的：編碼的目的： n提高抗燥性提高抗燥性.有利于接收端區(qū)分傳輸?shù)臄?shù)字數(shù)據(jù)有利于接收端區(qū)分傳輸?shù)臄?shù)字數(shù)據(jù)0和和1 n定時性定時性,方便地實現(xiàn)傳輸信號的同步方便地實現(xiàn)傳輸信號的同步,不必額外再加專用不必額外再加專用 的同步時鐘信號線的同步時鐘信號線 n采用合理的編碼方式采用合理的編碼方式,可以充分利用信道的傳輸能力可以充分利用信道的傳輸能力,達達 到更高的信息傳輸速率到更高的信息傳輸速率. n編碼的成本不同編碼的成本不同 n編碼的類型編碼的類型 總 結(jié) 2.2.3信道特

17、性 任何正常的周期為T的函數(shù)，都可以由無限個正弦和余弦函數(shù)合成。 信道對不同的傅立葉分量sin(2nPai）的衰減程度不同。頻率從0到 fc(以Hz為單位)范圍內(nèi)的諧波在傳輸過程中無衰減，而在此截止頻率以 上的所有諧波在傳輸過程中衰減極大。 只有當信道的帶寬大于被傳送的信號帶寬時，信號才能順利地通過 舉例：一個正弦信號表示為正弦sin(2n)的組合,n最小301,最大500， 問這個信號的帶寬為多少Hz？ n一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元一個數(shù)字脈沖稱為一個碼元， n碼元速率：碼元速率：單位時間內(nèi)信道所傳輸?shù)拇a元個數(shù)(脈沖數(shù)脈沖數(shù))，記為B （波特率）。 n碼元的寬度T（傳輸一個碼元需要的時間，周期

18、）為T=1/B。 舉例： B=10（波特）表示在一秒鐘內(nèi)傳送10個信號(碼元)， 則周期T=1/B=1/10,表示發(fā)送每個信號要1/10秒 n信號傳輸速率：信號傳輸速率：指每秒能傳送多少脈沖數(shù)，度量信號的傳送速度 n數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率是指每秒能傳送多少比特數(shù)，度量數(shù)據(jù)的傳送速度 n1個碼元所攜帶的信息量n(bit)與碼元所取的離散值M之間的關(guān)系 為： n=log2M n數(shù)據(jù)速率數(shù)據(jù)速率: R=B*n=B*log2M 從上公式提示，如何提高數(shù)據(jù)速率？ 2.奈奎斯特定理奈奎斯特定理 如果理想低通信道的帶寬為W(能順利通過的最大頻率正弦波）， 則最大碼元速率最大碼元速率 Bmax=2W n例：

19、設(shè)信道的帶寬為300Hz即sin(2*300)，則每秒鐘最多只能 發(fā)送600次信號。 n問：若碼元的傳輸速率超過了奈氏準則所給出的數(shù)值，會出現(xiàn)什 么情況？ 從奈奎斯特定理可以得到最大數(shù)據(jù)傳輸速率最大數(shù)據(jù)傳輸速率： C = Bmax *n = Bmax *log2M 問：如何提高最大數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率？ 3.香農(nóng)定理香農(nóng)定理 n 實際信道是存在噪聲的，S表示信號功率，N表示噪聲功率，S/N表 示信噪比，則最大數(shù)據(jù)傳輸率滿足香農(nóng)定理： n C=Wlog2(1+S/N) 注意信噪比的單位為分貝（10log10S/N),即20分貝代表S/N=102 信噪比 的測量方法： n例：一條帶寬為400H

20、z，信噪比為30dB的信道，最大的數(shù)據(jù)傳輸率為 C=400*log2(1+103)= C=400*log2(1001) = 400*10=4000 （bit/s） 問：對于頻帶寬度W已確定的信道，如果信噪比S/N不能再提高了，并且 碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有什么辦法提高信息的傳輸速率 呢？ 信道 功率電平 S 噪聲功率 N 現(xiàn)在我們再舉一個例子：設(shè)信道帶寬為3000Hz，被傳信號電平分為16級。 若信道是無噪音的，按奈奎斯特定理 C=2W log2V計算，其傳送速率決不能高于24000 bit/s。 當帶寬給定后，巧妙的編碼方法能實現(xiàn)在單位時間內(nèi)傳輸更 多的數(shù)據(jù)位 若信道是有噪音的，

21、信噪比為1000，那么，按照香農(nóng)定理 C=W log2(1+S/N)計算，不管使用多少級電平，采用多大的采樣頻率， 決不能以大于3000*log2(1+1000)=30000 bit/s的速率傳送數(shù)據(jù)。然而 這僅僅是個上限，現(xiàn)實系統(tǒng)很難達到這個上限。 不存在任何巧妙的編碼方法使得最大數(shù)據(jù)傳輸率可以突破物 理系統(tǒng)的根本限制? 2.3 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)(書書2.3，了解），了解） 傳輸介質(zhì)傳輸介質(zhì)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器中間的物數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器中間的物 理通路理通路 分為：導向傳輸媒體分為：導向傳輸媒體 非導向傳輸媒體非導向傳輸媒體 2.3.1 導向傳輸媒體 n雙絞線 n屏蔽雙

22、絞線 STP (Shielded Twisted Pair) n無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair) n同軸電纜 n50 同軸電纜 n75 同軸電纜 n光纜 第33頁 n雙絞線 內(nèi)導體芯線 絕緣 內(nèi)屏蔽 外屏蔽 外套 -螺旋絞合的雙導線，1mm -每根4對、25對、1800對 -典型連接距離100m（LAN） -RJ45插座、插頭 -優(yōu)缺點： 成本低 組裝密度高、節(jié)省空間 安裝容易（綜合布線系統(tǒng)） 平衡傳輸（高速率） 抗干擾性一般 連接距離短 應(yīng)用領(lǐng)域：電話網(wǎng)絡(luò)、計算機局域網(wǎng) 第34頁 常用的雙絞線為3類(16Mbit/s) 和5類(155Mbit/s)兩種

23、 n雙絞線的連接標準 n色彩標記和連接方法： n交叉線：交換機-交換機、PC-PC、HUB-HUB(標準端口) n直連線：PC/路由器-交換機/HUB、HUB-HUB(級連端口) 交叉線 EIA-568B 直連線 EIA-568A 第36頁 n同軸電纜同軸電纜（Coaxial Cable） n計算機網(wǎng)絡(luò)中使用基帶同軸電纜計算機網(wǎng)絡(luò)中使用基帶同軸電纜 n阻抗50，有粗同軸和細同軸兩種 n應(yīng)用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)）應(yīng)用：總線局域網(wǎng)（以太網(wǎng)） n性能：性能：10Mb/s，500米米/185米米 銅芯 絕緣層 外導體 屏蔽層 保護套 第37頁 n細同軸細同軸 nD=1.02cm，10Mbit/s n每

24、段每段185m、4中繼、中繼、5段（段（925m） n優(yōu)缺點： n價格低 n安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator） n抗干擾能力較強 n可靠性差 n粗粗同軸同軸 nD=2.54cm，10Mbit/s n每段每段500m、4中繼、中繼、5段（段（2500m） n優(yōu)缺點：價格稍高 n安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、Terminator） n抗干擾能力強 n連接距離中等 n可靠性好 第38頁 n光纖光纖（Optical Fiber） n依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳播依靠光波承載數(shù)據(jù)，光脈沖在玻璃纖維中傳播 n優(yōu)缺點：優(yōu)缺點： n傳輸帶寬高：傳輸帶寬高：僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制

25、（僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（100Gb/s） n傳輸損耗小，適合長距離傳輸傳輸損耗小，適合長距離傳輸 n抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好抗干擾性能極好、誤碼率低，保密性好 n輕便輕便 n價格較高價格較高 n需要光電轉(zhuǎn)換需要光電轉(zhuǎn)換 n纖芯材料：纖芯材料： n塑料塑料 n二氧化硅二氧化硅 （高純玻璃）（高純玻璃） 第39頁 n光纖傳輸原理光纖傳輸原理光的反射光的反射 n光從折射率高的介質(zhì)入射到折射率低的介質(zhì)時會光從折射率高的介質(zhì)入射到折射率低的介質(zhì)時會 產(chǎn)生折射。折射量取決于兩種介質(zhì)的折射率。當產(chǎn)生折射。折射量取決于兩種介質(zhì)的折射率。當 入射角入射角臨界值時產(chǎn)生全反射，不會泄漏。臨界值時產(chǎn)生全反

26、射，不會泄漏。 n纖芯纖芯-折射率高，玻璃包層折射率高，玻璃包層-折射率低折射率低 n亮度調(diào)制：有光脈沖亮度調(diào)制：有光脈沖-1，無光脈沖，無光脈沖-0 n光傳輸系統(tǒng)：光源、介質(zhì)、光檢測光傳輸系統(tǒng)：光源、介質(zhì)、光檢測 n光源：光源：850nm/1300nm/1500nm，發(fā)光二極管，發(fā)光二極管/激光二極管激光二極管 n光檢測器：光電二極管光檢測器：光電二極管PIN/雪崩二極管雪崩二極管APD n單向傳輸，雙向需兩根光纖單向傳輸，雙向需兩根光纖 n應(yīng)用領(lǐng)域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器連接應(yīng)用領(lǐng)域：局域網(wǎng)主干、電信網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器連接 第40頁 n多模光纖多模光纖(MMF) n單模光纖單模光纖(SMF

27、)：光纖的直徑接近一個光波波長光纖的直徑接近一個光波波長 多束光線以不同的反射角傳播 激光器 包層，折射率低 纖芯，折射率高 亮度調(diào)制 光檢波器 激光器光檢波器 單束光線沿直線傳播 第41頁 n典型的光纜 單芯光纜 多芯光纜 玻璃封套塑料外套 玻璃內(nèi)芯 玻璃內(nèi)芯 塑料外套 玻璃封套 外殼 常見規(guī)格：纖芯50um緩變型-MMF 62.5um緩變型/增強型-MMF 8.3um突變型-SMF 包層125um 第42頁 n高密度多芯光纜高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu)剖面結(jié)構(gòu) 芯 封套 外套 加強芯 光纖 外鞘 加強芯 光纖束 2.3.2 非導向傳輸媒體 n無線傳輸所使用的頻段很廣。 n短波通信主要是靠電離層的

28、反射，但短 波信道的通信質(zhì)量較差。 n微波在空間主要是直線傳播。 n地面微波接力通信 n衛(wèi)星通信 無線電微波紅外線 可見光紫外線 X射線 射線 雙絞線 同軸電纜 衛(wèi)星 地面微波 調(diào)幅 無線電 調(diào)頻 無線電 海事 無線電 光纖 電視 (Hz)f (Hz)f LFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF 波段 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移動 無線電 電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜 第45頁

29、n常用傳輸介質(zhì)的比較常用傳輸介質(zhì)的比較 傳輸介質(zhì)傳輸方式 速率/ 工作頻帶 傳輸距離性能價格應(yīng)用 雙絞線 寬帶 基帶 1Gb/s 模擬: 10km 數(shù)字: 500m 較好低 模擬/數(shù)字 信號傳輸 50 同軸電纜 基帶10Mb/s3km較好較低 基帶數(shù)字信 號 75 同軸電纜 寬帶450MHz100km較好較低 模擬電視、 數(shù)據(jù)及音頻 光纖基帶40Gb/s20km以上很好較高 遠距離高速 數(shù)據(jù)傳輸 微波寬帶4-6GHz幾百km好中等遠程通信 衛(wèi)星寬帶1-10GHz18000km很好高遠程通信 共享信道 2.4 信道復用技術(shù)（書2.4 掌握） 2.4.1 頻分復用、時分復用和統(tǒng)計時分復用 n復用(

30、multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念。 信道 A1A2 B1B2 C1C2 信道 信道 A1A2 B1B2 C1C2 復用分用 (a) 不使用復用技術(shù)(b) 使用復用技術(shù) 頻分復用 FDM (Frequency Division Multiplexing) n用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用 這個頻帶。 n頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請 注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。 時分復用TDM (Time Division Multiplexing) n時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復 用幀（TDM 幀）。每一個時分

31、復用的用戶在每一 個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。 n每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周 期就是 TDM 幀的長度）。 nTDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。 n時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的 頻帶寬度。 時分復用 頻率 時間 B C DB C DB C DB C DAAAA A 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 時分復用 頻率 時間 C DC DC DAAAABBBB C D B 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 時分復用 頻率 時間 BDBDBDAA

32、AA BCCCC D C 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 時分復用 頻率 時間 B CB CB CAAAA B CDDDD D 在 TDM 幀中 的位置不變 TDM 幀TDM 幀TDM 幀TDM 幀 TDM 幀 時分復用可能會造成 線路資源的浪費 A B C D a ab b c d b ca t t t t t 4 個時分復用幀 #1 a c b cd 時分復用 #2#3#4 用戶 使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時， 由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對 分配到的子信道的利用率一般是不高的。 統(tǒng)計時分復用 STDM (Statistic TDM

33、) 用戶 A B C D a b c d t t t t t 3 個 STDM 幀 #1 a c b ab bcacd #2#3 統(tǒng)計時分復用 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 2.4.3 波分復用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) n波分復用就是光的頻分復用。 8 2

34、.5 Gb/s 1310 nm 20 Gb/s 復 用 器 分 用 器 EDFA 120 km 光調(diào)制器光解調(diào)器 n2.4.4碼分復用碼分復用CDM 也稱碼分多址CDMA。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，每一個 用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信，各用戶之間不會造 成干擾，其頻譜類似于白噪聲，不易被發(fā)現(xiàn)。 nCDMA原理：原理： n1)每一個通訊站都被指派一個唯一的m bit碼片序列，設(shè)m為8；例如 ，指派給S站的8 bit碼片序列是00011011，按慣例將碼片中的0寫為- 1，將1寫為+1。因此： n S站的碼片序列為Sm (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) n我

35、們再設(shè)T站的碼片序列為Tm (-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1) n注意： n2)一個站如果要發(fā)送比特1，則發(fā)送它自己的m bit碼片序列Sm。如 果要發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼S-m 1 1 0=1 m i i i ST m S TS S 3)設(shè)S站與T站都要同時發(fā)送的數(shù)據(jù)是110三個碼元，則： S站發(fā)送的擴頻信號為S=Sm Sm S-m , T站發(fā)送的擴頻信號T=Tm Tm T-m 。 每一個站都能夠收到所有的站發(fā)送的擴頻信號,都是疊加的信號S+T 4)接收站接收到疊加的信號S+T，如果要檢測出 S站發(fā)送的信號時， 就用S站的碼片序列與收到的信號求規(guī)格化內(nèi)積：

36、S(S+T)=SS+ST= S(Sm Sm S-m) + S(Tm Tm T-m)=(+1 +1 - 1)+(0 0 0) 2.4.5 PDH與SDH（書2.5，了解） n網(wǎng)同步 n準同步 n主從同步 n兩類PDH系列：即北美的 24 路 PCM（簡稱為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡稱為 E1）。我國 采用的是歐洲的 E1 標準。 nE1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。 n當需要有更高的數(shù)據(jù)率時，可采用復用的方法。 2. 同步光纖網(wǎng) SONET 和 同步數(shù)字系列 SDH n舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最 主要的是以下兩個方面： n速率

37、標準不統(tǒng)一。 n如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標準化，國 際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)。 n不是同步傳輸。 n在過去相當長的時間，為了節(jié)約經(jīng)費，各國的數(shù) 字網(wǎng)主要是采用準同步方式。 同步光纖網(wǎng) SONET n同步光纖網(wǎng) SONET (Synchronous Optical Network) 的各級時鐘都來自一個非常精確的 主時鐘。 n第 1 級同步傳送信號 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的傳輸速率是 51.84 Mb/s。 n光信號則稱為第 1 級光載波 OC-1，OC 表示 Optical Carrier。 同步數(shù)字系列 SDH nITU-T 以

38、美國標準 SONET 為基礎(chǔ)，制訂出 國際標準同步數(shù)字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。 n一般可認為 SDH 與 SONET 是同義詞。 nSDH 的基本速率為 155.52 Mb/s，稱為第 1 級同步傳遞模塊 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相當于 SONET 體系 中的 OC-3 速率。 線路速率 (Mb/s) SONET 符號 ITU-T 符號 表示線路速率 的常用近似值 51.840OC-1/STS-1 155.520OC-3/STS-3STM-1155 Mb/s 466.560OC-9/STS

39、-9STM-3 622.080OC-12/STS-12STM-4622 Mb/s 933.120OC-18/STS-18STM-6 1244.160OC-24/STS-24STM-8 2488.320OC-48/STS-48STM-162.5 Gb/s 4976.640OC-96/STS-96STM-32 9953.280OC-192/STS-192STM-6410 Gb/s 39813.120 OC-768/STS-768 STM-256 40 Gb/s SONET 的 OC 級/STS 級與 SDH 的 STM 級的對應(yīng)關(guān)系 2.5 接入技術(shù)接入技術(shù) （書2.6節(jié)，了解） n 接入技術(shù)關(guān)系

40、到如何將成千上萬計算機或移 動終端設(shè)備接入Internet。從實現(xiàn)技術(shù)的角度來 看，接入技術(shù)主要有：數(shù)字用戶線技術(shù)、光纖同 軸電纜混合網(wǎng)技術(shù)、光纖接入技術(shù)、無線接入技 術(shù)與局域網(wǎng)接入技術(shù)。無線接入又可以分為：無 線局域網(wǎng)接入、無線城域網(wǎng)接入、無線自組網(wǎng)與 移動通信網(wǎng)接入。 2.5.1 xDSL技術(shù)技術(shù) n xDSL (x Digital Subscriber Line)技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話 用戶線進行改造，把04 kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利 用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。其中非對稱數(shù)字用戶線ADSL技術(shù)很快就在 家庭計算機聯(lián)網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 nADSL技術(shù)的特點技術(shù)的特點 n(1) ADSL在電話線上同時提供電話與Internet接入服務(wù) n ADSL可以在現(xiàn)有的用戶電話線上通過傳統(tǒng)的電話交換網(wǎng)，以不 干擾傳統(tǒng)模擬電話業(yè)務(wù)為前提，同時能夠提供高速數(shù)字業(yè)務(wù)，用