第二章 物理層

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)送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數(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1、模擬傳輸：傳輸模擬信號（或連續(xù)信號）頻帶傳輸：數(shù)字信號－〉模擬調制（音頻）寬帶傳輸：數(shù)字信號－〉寬帶模擬信號

300MHz－450MHz一、信號傳輸方式調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。最基本的二元制調制方法對基帶數(shù)字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調幅調頻調相正交振幅調制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

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4bit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于一種4bit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時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。舉例為達到更高的信息傳輸速率，采用多元制振幅相位混合調制方法。2、基帶傳輸：將數(shù)字設備發(fā)出的數(shù)字信號直接發(fā)送到信道上去傳輸。對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道的特性相適應，變換后的信號仍然是基帶信號。這種調制稱為基帶調制，也稱為編碼。常用的編碼方法有曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼。用曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼還可以提取同步時鐘，使收發(fā)雙方位同步。曼徹斯特和差分曼徹斯特編碼曼徹斯特編碼：“1”：“0”：（電平由高到低跳變?yōu)?，由低到高跳變?yōu)?）差分曼徹斯特編碼：“1”：“0”：（碼元起始處電平無跳變?yōu)?，有跳變?yōu)?）任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。2.2.3信道的極限容量有失真，但可識別失真大，無法識別數(shù)字信號通過實際的信道實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號波形接收信號波形發(fā)送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形

信道能夠通過的頻率范圍香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為C

=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

(2)信噪比信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。香農公式表明：注意：對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。物理媒體(介質)屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)雙絞線同軸電纜基帶同軸電纜

一條電纜只用于一個信道，50，用于數(shù)字傳輸寬帶同軸電纜

一條電纜同時傳輸不同頻率的多路模擬信號，75，用于模擬傳輸，300—450MHz，100km，需要放大器

銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套玻璃封套塑料外套玻璃內芯單芯光纜多芯光纜玻璃內芯塑料外套玻璃封套外殼常見規(guī)格：玻璃內芯——50um緩變型MMF 62.5um緩變/增強型MMF 8.3um突變型SMF

玻璃包層——125um典型的光纜光線在光纖中的折射折射角入射角

包層（低折射率的媒體）

包層（低折射率的媒體）

纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷漭斎朊}沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖BS基站

用戶計算機和終端BS無線電兩個地面站之間傳送距離：50-100km地球地面站之間的直視線路微波傳送塔地面微波接力與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星覆蓋全球傳輸延遲時間長22,300公里地球地球同步衛(wèi)星物理層下面的傳輸媒體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

調幅無線電

調頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜1、機械特性:指明接口所用接線器的開關和尺寸、引腳數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等；2、電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍、傳輸距離等；3、功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。4、過程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。物理層規(guī)程的四個特性DTE(DataTerminalEquipment)是數(shù)據(jù)終端設備，是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和發(fā)送、接收數(shù)據(jù)能力的設備。DCE(DataCircuit-terminatingEquipment)是數(shù)據(jù)電路端接設備，它在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并且負責建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。

四.物理層標準舉例

1.EIA-232-E接口標準DTE通過DCE

與通信傳輸線路相連DTEDCEDCE串行比特傳輸信號線與控制線用戶環(huán)境通信環(huán)境用戶設施通信設施DTE信號線與控制線用戶設施用戶環(huán)境EIA-232/V.24的信號定義(1)保護地(2)發(fā)送數(shù)據(jù)(3)接收數(shù)據(jù)(4)請求發(fā)送(5)允許發(fā)送(6)DCE就緒(7)信號地(8)載波檢測(20)DTE就緒(22)振鈴指示DTEDCE計算機或終端調制解調器兩個DTE通過DCE

進行通信的例子EIA-232/V.24

接口調制解調器DTE-ADTE-BDCE-ADCE-BEIA-232/V.24

接口調制解調器網絡利用虛調制解調器

與兩臺計算機相連插頭插頭插座插座計算機虛調制解調器計算機（1）保護地（2）發(fā)送（3）接收（4）請求發(fā)送（5）允許發(fā)送（6）DCE就緒（7）信號地（8）載波檢測（20）DTE就緒（22）振鈴指示（1）保護地（2）發(fā)送（3）接收（4）請求發(fā)送（5）允許發(fā)送（6）DCE就緒（7）信號地（8）載波檢測（20）DTE就緒（22）振鈴指示

RS-232C的DTE-DTE連接

RS-449由3個標準組成。即：RS-449規(guī)定機械功能和過程RS-423-A電氣特性，非平衡方式RS-422-A

電氣特性，平衡方式傳輸距離：10米時為10Mbps,1Km時為100kbps

RS-449接口標準

RS-485接口標準RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗干擾性好。最高傳輸速率為10Mbps

。RS-485接口的最大傳輸距離達3000米，另外RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發(fā)器。即具有多站能力,這樣用戶可以利用單一的RS-485接口方便地建立起設備網絡。

DSL就是數(shù)字用戶線(DigitalSubscriberLine)的縮寫。而DSL的前綴x則表示在數(shù)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案xDSL技術就是用數(shù)字技術對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務。雖然標準模擬電話信號的頻帶被限制在300~3400kHz的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過1MHz。xDSL技術就把0~4kHz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使用。2.6寬帶接入技術

2.6.1xDSL技術ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非對稱數(shù)字用戶線HDSL(HighspeedDSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL(Single-lineDSL)：1對線的數(shù)字用戶線VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速數(shù)字用戶線DSL：ISDN用戶線。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自適應DSL，是ADSL的一個子集，可自動調節(jié)線路速率）。xDSL的幾種類型

ADSL的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關系（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。例如，0.5毫米線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時可傳送5.5公里，但當傳輸速率提高到6.1Mb/s時，傳輸距離就縮短為3.7公里。如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里ADSL的極限傳輸距離上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調制解調器。我國目前采用的方案是離散多音調DMT(DiscreteMulti-Tone)調制技術。這里的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。ADSL的特點DMT調制技術采用頻分復用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。每個子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不同的音調）進行數(shù)字調制。這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調制解調器并行地傳送數(shù)據(jù)。DMT技術DMT技術的頻譜分布…頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道…(kHz)~40~138~1100由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此ADSL采用自適應調制技術使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。當ADSL啟動時，用戶線兩端的ADSL調制解調器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質量。ADSL不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對于質量很差的用戶線甚至無法開通ADSL。通常下行數(shù)據(jù)率在32kb/s到6.4Mb/s之間，而上行數(shù)據(jù)率在32kb/s到640kb/s之間。ADSL的數(shù)據(jù)率ADSL的組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線

電話分離器

區(qū)域寬帶網至ISP居民家庭基于ADSL的接入網端局或遠端站DSLAM至本地電話局PSPS數(shù)字用戶線接入復用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接單元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表遠端Remote）電話分離器PS(POTSSplitter)

通過提高調制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。例如，ADSL2要求至少應支持下行8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+則將頻譜范圍從1.1MHz擴展至2.2MHz，下行速率可達16Mb/s（最大傳輸速率可達25Mb/s），而上行速率可達800kb/s。采用了無縫速率自適應技術SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在運營中不中斷通信和不產生誤碼的情況下，自適應地調整數(shù)據(jù)率。改善了線路質量評測和故障定位功能，這對提高網絡的運行維護水平具有非常重要的意義。第二代ADSL

ADSL2（G.992.3和G.992.4）

ADSL2+（G.992.5）HFC網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網CATV的基礎上開發(fā)的一種居民寬帶接入網。HFC網除可傳送CATV外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務。現(xiàn)有的CATV網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它采用模擬技術的頻分復用對電視節(jié)目進行單向傳輸。而HFC網則需要對CATV網進行改造。2.6.2光纖同軸混合網

HFC(HybridFiberCoax)(1)HFC網的主干線路采用光纖HFC網將原CATV網中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術。在模擬光纖中采用光的振幅調制AM，這比使用數(shù)字光纖更為經濟。模擬光纖從頭端連接到光纖結點(fibernode)，即光分配結點ODN(OpticalDistributionNode)。在光纖結點光信號被轉換為電信號。在光纖結點以下就是同軸電纜。HFC的主要特點(2)HFC網采用結點體系結構同軸電纜頭端模擬光纖放大器引入線分路器光纖結點服務區(qū)服務區(qū)服務區(qū)HFC網采用結點體系結構同軸電纜光纖光纖結點頭端高帶寬光纖同軸電纜光纖HFC網(3)HFC網具有比CATV網更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能下行信道上行信道5