第二章物理層

1、物理層的基本概念2、信道的特點(diǎn)與有關(guān)概念3、傳輸媒體的特性4、模擬傳輸與數(shù)字傳輸5、信道復(fù)用技術(shù)6、同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH7、寬帶接入技術(shù)第二章物理層第一節(jié)物理層的基本概念1、物理層功能

物理層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)設(shè)備與傳輸設(shè)備介質(zhì)間的接口操作，完成以比特為傳送單元的同步與傳輸。

物理連接（信號(hào)通路）的建立/拆除比特信號(hào)的編碼，發(fā)送/接收，同步差錯(cuò)控制

含義：實(shí)質(zhì)是屏蔽物理設(shè)備和傳輸媒體的種類差異。第一節(jié)物理層的基本概念2、物理層有關(guān)術(shù)語(yǔ)

數(shù)據(jù)線路：一對(duì)物理實(shí)體之間傳輸物理信號(hào)的數(shù)據(jù)通路。傳輸線路：由傳輸介質(zhì)與信道設(shè)備組成。數(shù)據(jù)線路設(shè)備DCE：傳輸線路兩端的端接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)傳輸線路上的信號(hào)變換。（DataCircuitEquipment）數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE：數(shù)據(jù)線路兩端的端接設(shè)備，即信源/信宿設(shè)備。（DataTerminalEquipment）第一節(jié)物理層的基本概念2、物理層有關(guān)術(shù)語(yǔ)DTEDCEDCEDTE傳輸線路數(shù)據(jù)線路第一節(jié)物理層的基本概念3、物理層接口協(xié)議與特性

物理層協(xié)議又稱物理層規(guī)程，是DTE與DCE之間的接口協(xié)議。物理層的接口特性：

機(jī)械特性：接口所用接線器的形狀、尺寸、引腳數(shù)目、鎖定裝置等的詳細(xì)規(guī)定；電氣特性：接口電纜的電壓范圍；（什么電壓表示1或0）第一節(jié)物理層的基本概念3、物理層接口協(xié)議與特性

功能特性：對(duì)連接器上各芯線給出功能定義（某條線上出現(xiàn)的某一電平電壓是何意義）。芯線分為：數(shù)據(jù)線、控制線、定時(shí)線、地線、輔助線；規(guī)程特性：對(duì)接口處傳輸信號(hào)所需的控制過(guò)程所做的規(guī)定。各芯線上信號(hào)變化的協(xié)調(diào)關(guān)系，包括各芯線電平狀態(tài)的轉(zhuǎn)移條件和狀態(tài)轉(zhuǎn)移過(guò)程的時(shí)序關(guān)系；第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型公用電話網(wǎng)PCModemModemPC源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)源點(diǎn)發(fā)送器傳輸系統(tǒng)接收器終點(diǎn)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)輸出信息第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

源系統(tǒng)：源點(diǎn)、發(fā)送器；傳輸系統(tǒng)；目的系統(tǒng)：接收器、終點(diǎn)；一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可以劃分為三個(gè)部分第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)：運(yùn)送信息的實(shí)體。信號(hào)：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。

數(shù)據(jù)與信號(hào)均可以是模擬的也可以是數(shù)字的。調(diào)制：數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。解調(diào)：模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。相關(guān)術(shù)語(yǔ)：數(shù)據(jù)與信號(hào)第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)都可以轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。模擬數(shù)據(jù)模擬信號(hào)放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)PCM編碼器第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)1、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號(hào)數(shù)字發(fā)送器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號(hào)調(diào)制器第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2、信道有關(guān)的基本概念信道：表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體。一條電路至少包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。

單工通信：只能單向發(fā)送信息；半雙工通信：某一時(shí)刻只能單向發(fā)送信息，不同時(shí)可雙向通信；全雙工通信：同時(shí)雙向通信；通信雙方信息交互的方式，主要有以下三種：第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)

模擬信號(hào)：連續(xù)的信號(hào)，傳輸模擬信號(hào)的信道為模擬信道；數(shù)字信號(hào)：離散的信號(hào)，傳輸數(shù)字信號(hào)的信道為數(shù)字信道；通常情況，可將信號(hào)分為以下兩類：第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)上述信號(hào)傳輸對(duì)于不同信道需要進(jìn)行模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換信道上傳送的信號(hào)還可分為：

基帶（baseband）信號(hào)：數(shù)字信號(hào)1或0直接用不同的電壓來(lái)表示；寬帶（broadband）信號(hào)：將基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號(hào)；第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限1）數(shù)據(jù)傳輸速率

數(shù)據(jù)傳輸速率是描述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)之一。通常，以每秒傳輸?shù)亩M(jìn)制比特?cái)?shù)來(lái)表示，單位為bps，或b/s。第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限1）數(shù)據(jù)傳輸速率

計(jì)算公式：S=1/TS為數(shù)據(jù)傳輸速率，T為發(fā)送每一比特所需要的時(shí)間。常用單位有：Kbps、Mbps、Gbps。例，T=0.104ms，S=9600bps。

1Kbps=103bps，1Mbps=103Kbps，

1Gbps=103Mbps第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限2）信道的最高碼元傳輸速率

理想低通信道：信號(hào)的所有低頻分量，只要其頻率不超過(guò)某個(gè)上限值，都能夠不失真地通過(guò)此信道。而頻率超過(guò)此上限的所有高頻分量都不能通過(guò)該信道。理想帶通信道：頻率在頻帶下限f1和上限f2之間的頻率分量，能夠不失真地通過(guò)此信道。而頻率低于下限f1和高于上限f2的頻率分量都不能通過(guò)該信道。第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限2）信道的最高碼元傳輸速率

由于信道帶寬限制和干擾的存在，任何信道都不是理想的。

1924年，奈奎斯特準(zhǔn)則（Nyquist奈式準(zhǔn)則）：理想低通信道下的最高碼元傳輸速率為：

Rmax=2WBaud其中，W為理想低通信道的帶寬，單位為赫。Baud，波特是碼元傳輸速率單位，1波特為每秒傳送1個(gè)碼元。第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限2）信道的最高碼元傳輸速率Nyquist奈式準(zhǔn)則含義：每赫帶寬的低通信道的最高碼元傳輸速率為每秒2個(gè)碼元。例如，一個(gè)帶寬為3kHz的理想低通信道，其最高碼元傳輸速率為6000Baud。若1碼元可以攜帶3bit的信息量，則最高信息傳輸速率為18000b/s。第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限2）信道的最高碼元傳輸速率

奈奎斯特準(zhǔn)則推廣：具有理想帶通矩形特性信道的最高碼元傳輸速率為：

R’max=WBaud其中，W為理想帶通信道的帶寬，單位為赫。Baud，波特是碼元傳輸速率單位。其含義：每赫帶寬的帶通信道的最高碼元傳輸速率為每秒1個(gè)碼元。第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限2）信道速率的極限值

香農(nóng)（Shannon）定律：1948年，香農(nóng)用信息論理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯噪聲干擾的信道極限傳輸速率，即數(shù)據(jù)傳輸速率C、信道帶寬W、信號(hào)與噪聲功率比S/N的關(guān)系為：

Cmax=W?log2(1+S/N)。信噪比S/N通常以dB（分貝）數(shù)表示，S表示信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率，N表示信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限2）信道速率的極限值

香農(nóng)定律含義：只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。例如，S/N=30(dB)，由S/N(dB)=10?lg(S/N)，得S/N=1000。若W=3000Hz，則有

Cmax=30（kbps)第二節(jié)數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)3、數(shù)據(jù)傳輸速率與信道速率的極限信息的傳輸速率受香農(nóng)公式的限制碼元傳輸速率受奈式準(zhǔn)則的限制源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)源點(diǎn)發(fā)送器傳輸系統(tǒng)接收器終點(diǎn)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)輸出信息第三節(jié)傳輸媒體的特性傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介。分為：導(dǎo)向傳輸媒體和非導(dǎo)向傳輸媒體。1、雙絞線

屏蔽雙絞線STP：非屏蔽雙絞線UTP：雙絞線是將兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合起來(lái)。主要有以下兩種：第三節(jié)傳輸媒體的特性1、雙絞線

屏蔽雙絞線STP：具有抗電磁干擾能力，成本較高；非屏蔽雙絞線UTP：1991年，美電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA和電信工業(yè)協(xié)會(huì)TIA發(fā)布EIA/TIA-568標(biāo)準(zhǔn)。1995年更新為EIA/TIA-568-A，規(guī)定了1類到5類UTP。1998年提出6類線。其中，常用的是3類和5類；第三節(jié)傳輸媒體的特性1、雙絞線1995年，美電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA制定的UTP標(biāo)準(zhǔn)。

1類UTP：用于電話傳輸，性能要求低；

2類UTP：4對(duì)線，4Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸；

3類UTP：4對(duì)線，10Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸；

4類UTP：4對(duì)線，16Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸；

5類UTP：4對(duì)線，100Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸；第三節(jié)傳輸媒體的特性2、同軸電纜同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線、絕緣層、外導(dǎo)體屏蔽層和塑料保護(hù)外層組成。主要有以下兩種：50歐姆同軸電纜（基帶同軸電纜）：傳送基帶信號(hào)，傳輸速率較高可達(dá)10Mb/s、距離較短1km，主要應(yīng)用于局域網(wǎng)；

75歐姆同軸電纜（寬帶同軸電纜）：傳送頻分復(fù)用寬帶信號(hào)，運(yùn)用模擬傳輸技術(shù)，傳輸速率高，可達(dá)150Mb/s，距離遠(yuǎn)到100km；第三節(jié)傳輸媒體的特性3、數(shù)據(jù)編碼的類型數(shù)據(jù)編碼類型主要取決于所采用的通信信道：模擬信道和數(shù)字信道。則數(shù)據(jù)編碼分為：模擬數(shù)據(jù)編碼和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼。

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼：非歸零編碼、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼；（曼T/2低到高為1，差曼T跳變?yōu)?）模擬數(shù)據(jù)編碼：幅度調(diào)制ASK、頻率調(diào)制FSK、相位調(diào)制PSK；（u(t)=umsin(t+q0)，um可為um或0，可為

1或

2，Q可有相位差）第三節(jié)傳輸媒體的特性數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼波形：數(shù)據(jù)非歸零編碼NRZ同步時(shí)鐘曼徹斯特編碼差分曼徹斯特編碼01010101第三節(jié)傳輸媒體的特性4、光纜光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來(lái)進(jìn)行通信。傳輸頻率高，所以其傳輸帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他傳輸媒體。光纖傳輸?shù)奶攸c(diǎn)：傳輸損耗小、可傳輸距離遠(yuǎn)、抗電磁干擾性能好、保密性好、體積小、重量輕。第三節(jié)傳輸媒體的特性4、光纜光纖通信：發(fā)送端有光源，接收端利用光電二極管做成光檢測(cè)器，它將光脈沖還原出電脈沖。由纖芯和包層構(gòu)成。主要有以下兩種：多模光纖：光源采用發(fā)光二極管，傳輸多條光波；單模光纖：光源采用半導(dǎo)體激光器，傳輸單光波，衰減??；第三節(jié)傳輸媒體的特性5、無(wú)線傳輸無(wú)線傳輸?shù)念l段地面微波接力通信衛(wèi)星通信第四節(jié)模擬傳輸與數(shù)字傳輸

模擬傳輸系統(tǒng)調(diào)制解調(diào)器基本調(diào)制方法數(shù)字傳輸系統(tǒng)：脈沖編碼調(diào)制PCM（pulsecodemodulation）實(shí)現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)數(shù)字化。第四節(jié)模擬傳輸與數(shù)字傳輸

脈沖編碼調(diào)制PCM實(shí)現(xiàn)步驟：采樣量化編碼樣本量化級(jí)二進(jìn)制編碼編碼信號(hào)D110001D240100D370111。。。D4131101。。。D5151111。。。D6131101。。。D760110。。。D830011。。。第五節(jié)信道復(fù)用技術(shù)

多路復(fù)用（multiplexing）：在單一的物理通信線路上建立多條并行的通信信道。進(jìn)行通信時(shí)，需要用到復(fù)用器和分用器。頻分復(fù)用FDM：所有用戶在同一時(shí)間占用不同帶寬資源。波分復(fù)用WDM：光纖通道技術(shù)通過(guò)對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行分隔實(shí)現(xiàn)復(fù)用。采用衍射光柵進(jìn)行不同波長(zhǎng)的合成與分解。如，密集波分DWDM。第五節(jié)信道復(fù)用技術(shù)

時(shí)分復(fù)用TDM：以信道傳輸時(shí)間為分割對(duì)象，所有用戶在不同時(shí)間占用同樣的帶寬。如，統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM。碼分多址CDMA：用戶使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信，不會(huì)造成干擾。如直接序列DS-CDMA和跳頻FH-CDMA。第六節(jié)同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在的問題：速率標(biāo)準(zhǔn)不一：北美和日本的T1速率、歐洲的

E1速率。不是同步傳輸：國(guó)際普遍采用準(zhǔn)同步傳輸。第六節(jié)同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH1988年，美國(guó)推出一個(gè)數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)：同步光纖網(wǎng)SONET，它每秒傳輸8000幀。

ITU-T以美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)SONET為基礎(chǔ)，制定出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列SDH，即1988年通過(guò)的G.707~G.709三個(gè)建議書。它同SONET有速率上的差異。第六節(jié)同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDHSDH/SONET：定義了標(biāo)準(zhǔn)光信號(hào)，規(guī)定波長(zhǎng)為1310nm和

1550nm的激光源在物理層為寬帶接口使用了幀技術(shù)以傳遞信息為數(shù)字信號(hào)的復(fù)用和操作過(guò)程定義了幀結(jié)構(gòu)第六節(jié)同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDHSONET標(biāo)準(zhǔn)定義了四個(gè)光接口層，SONET的層次自下而上為：光子層：比特傳送，電信號(hào)與光信號(hào)轉(zhuǎn)換。段層：傳送幀，成幀與差錯(cuò)檢測(cè)。線路層：負(fù)責(zé)路徑層的同步與復(fù)用。路徑層：非SONET網(wǎng)絡(luò)接口，路徑端接設(shè)備PTE之間業(yè)務(wù)傳輸。光子層段層線路層路徑層第六節(jié)同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDHSONET體系結(jié)構(gòu)：光子層段層線路層路徑層SDH終端轉(zhuǎn)發(fā)器復(fù)用器分用器SDH終端復(fù)用器分用器轉(zhuǎn)發(fā)器路徑線路段段段光子層段層線路層路徑層光子層段層線路層光子層段層線路層光子層段層光子層段層第七節(jié)寬帶接入技術(shù)1、xDSL技術(shù)

xDSL技術(shù)：用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。

xDSL

：

ADSL:AsymmetricDigitalSubscriberLineHDSL:HighspeedDSLSDSL:Single-lineDSLVDSL:VeryhighspeedDSL

ADSL

：1999年7月，ITUG.992.1具體參見P57表。第七節(jié)寬帶接入技術(shù)1、xDSL技術(shù)

ADSL

：離散多音調(diào)DMT（DiscreteMulti-Tone）調(diào)制技術(shù)，采用頻分復(fù)用方法。上行帶寬，采用25個(gè)子信道，每個(gè)子信道4kHz；下行249個(gè)子信道。不能保證固定的數(shù)據(jù)率，采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)。

ADSL

接入網(wǎng)的組成：數(shù)字用戶線接入復(fù)用器DSLAM（DSLAccessMultiplexer）用戶線用戶設(shè)施說(shuō)明：ADSL調(diào)制解調(diào)器又稱為接入端接單元ATU（Access

TerminationUnit），包括ATU-C和ATU-R。第七節(jié)寬帶接入技術(shù)1、xDSL技術(shù)二代ADSL：

ADSL2

：ITU-TG.992.3、G.992.4

ADSL2+：ITU-TG.992.5

改進(jìn)：提高調(diào)制效率得到更高數(shù)據(jù)率采用無(wú)縫速率自適應(yīng)技術(shù)SRA

（SeamlessRateAdaptation）改善線路質(zhì)量評(píng)測(cè)和故障定位功能第七節(jié)寬帶接入技術(shù)2、光纖同軸混合網(wǎng)HFC（HybridFiberCoax）光纖同軸混合網(wǎng)HFC基于CATV，具體改進(jìn)：

HFC網(wǎng)主干線路采用光