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计算机网络与通信技术02物理层及数字通信基础第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2.3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宽带接入技术2.5.1xDSL技术2.5.2光纤同轴混合网(HFC网)2.5.3FTTx技术2.1物理层的基本概念物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性,即:机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。2.2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正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机几个术语消息(message)——语音,问题,图像,视频等都是消息。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。模拟信号——也叫连续信号,代表消息的参数的取值是连续的。数字信号——也叫离散信号,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。2.2.2有关信道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。(电视、广播)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)。(对讲机)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。(电话)基带信号信号源产生的原始电信号称为基带信号,即:将数字数据0、1直接用两种不同的电压表示,然后送到线路上去传输。基带调制,也叫编码(coding)带通信号将基带信号用载波进行调制,将基带信号的频率范围搬移到较高的频段,并转换为模拟信号。对带通信号的调制,称为带通调制。基带信号的常用编码--曼切斯特和差分曼切斯特编码编码规则(M)每个码元中间都有一个电平跳变(同步时钟),分为前后两个半位,负跳变为“0”,正跳变为“1”。(注:有可能反过来表示)(DM)每位数据中间电位跳变只作发方时钟信号,数字信号取值由位开始时有无电位跳变决定。“0”,电位求反,“1”,保持电位不变。001101MDM曼切斯特和差分曼切斯特编码编码特点每个二进制位中间电位跳变,可作发方时钟,实现自同步可使编码信号电平直流分量为零,利于通信线路设计编码后的信号频率提高一倍,导致要求通信线路带宽增加编码效率较低带通调制的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。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正交振幅调制(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。举例波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位(每秒传多少个码元)。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位。两者数值上的差别在于每次采样的量化值0110001011100010000110100011011000000011101100102.2.3信道的极限容量波特率和比特率(要注意)信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。若1个码元只携带1bit的信息量,则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。若1个码元携带nbit的信息量,则MBaud的波特率所对应的比特率为Mnb/s。信道容量:信道在单位时间内可以传输的最大信号量,表示信道的传输能力。信道容量有时也表示为单位时间内可传输的二进制位的位数(称信道的数据传输速率,位速率),以位/秒(b/s)形式予以表示,简记为bps。2.2.3信道的极限容量奈奎斯特定理在理想低通信道中,当带宽为WHz,信号电平为V级,则:数据传输速率(比特率)=2Wlog2Vb/s(V:信号电平的级数,在二元调制中,仅为0、1两级)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。数字信号通过实际的信道失真不严重,可以识别失真严重,无法识别实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道(带宽受限、有噪声、干扰和失真)输出信号波形(失真严重)香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率(比特率)C可表达为C=Wlog2(1+S/N)b/sW为信道的带宽(以Hz为单位);S为信道内所传信号的平均功率;N为信道内部的高斯噪声功率。很多情况下信噪比用分贝(dB)表示信噪比(dB)=10log10S/N如:信噪比为30dB,则S/N=1000香农定理香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大,则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(当然实际信道不可能是这样的),则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。2.3物理层下面的传输媒体电信领域使用的电磁波的频谱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2.3.1导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)同轴电缆50同轴电缆75同轴电缆光缆各种电缆铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音双绞线外无任何屏蔽层五类网线(CAT5)六类双绞线(CAT6)100M带宽,适用于百兆以下的以太网250M甚至更高带宽,适用于千兆以太网28/86(a)RJ-45插头和插座的结构(b)网线与RJ-45的连接序号(EIA/TIAT568A和T568B两种)RJ45管脚定义双绞线接法介绍1.平常接法:双绞线两端的RJ-45头按下列颜色顺序接铜导线:白橙/橙/白绿/蓝/白蓝/绿/白棕/棕;直通线:即1、2与1、2;3、6与3、6。2.两台计算机互联的双绞线接法:一端按白橙/橙/白绿/蓝/白蓝/绿/白棕/棕的顺序接,另一端按白绿/绿/白橙/蓝/白蓝/橙/白棕/棕顺序接,即第1条与第3条跳线,第2条与第6条跳线。(交叉)光线在光纤中的折射折射角入射角包层(低折射率的媒体)包层(低折射率的媒体)纤芯(高折射率的媒体)包层纤芯光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤2.3.2非导向传输媒体无线传输所使用的频段很广。短波通信主要是靠电离层的反射,但短波信道的通信质量较差。微波在空间主要是直线传播。地面微波接力通信卫星通信短波通信短波通信(Short-waveComunication)是无线电通信的一种。波长在50米~10米之间,频率范围6兆赫~30兆赫。发射电波要经电离层的反射才能到达接收设备,通信距离较远,是远程通信的主要手段。由于电离层的高度和密度容易受昼夜、季节、气候等因素的影响,所以短波通信的稳定性较差,噪声较大。目前,它广泛应用于电报、电话、低速传真通信和广播等方面。尽管当前新型无线电通信系统不断涌现,短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视,不仅没有被淘汰,还在快速发展。微波通信使用波长为1~0.1m(频率为0.3~3GHz)的电磁波进行的通信。包括地面微波接力通信、对流层散射通信、卫星通信、空间通信及工作于微波频段的移动通信。两个地面站之间传送距离:50-100km地球地面站之间的直视线路微波传送塔地面微波接力卫星通信模型地面站地球同步卫星36000km端到端单程270ms往返540msISM频段2683.5125频带MHzMHzMHz频率9029282.42.48355.7255.850MHzMHzGHzGHzGHzGHz2.4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。+()+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a)使用单独的信道(b)使用共享信道复用分用频分复用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5FDM图示音频信号调制基频调制后信号信号的频分多路复用时分复用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。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。统计时分复用STDM(StatisticTDM)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用1550nm01551
本文标题:02物理层及数字通信基础全解
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