3 物理层

第三章物理层本章重点：1.数据通信的基础知识2.传输介质（媒体）3.模拟传输与数字传输4.信道复用技术章节安排：§3.1物理层的基本概念§3.2数据通信的基础知识§3.3物理层下面的传输介质（媒体）§3.4模拟传输与数字传输§3.5信道复用技术§3.7物理层标准举例§3.6同步光纤网SONET和同步数字系列SDH§3.1物理层的基本概念一、主要任务确定与传输媒体的接口的一些特性。1.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。2.电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。3.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。4.规程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。二、物理连接上的传输方式1.串行传输按照时间顺序一个比特一个比特的传输。2.并行传输多个比特同时传输。§3.2数据通信的基础知识一、数据通信系统的模型1.模型AB公用电话网CDPCModemModemPC01001…01001…源系统目的系统传输系统源站发送器传输系统接收器目的站2.几个概念（1）数据和信号数据是表示信息的载体。信号则是数据的电气或电磁特性的表现。（2）模拟和数字模拟就是随时间在连续变化。数字就是在时间上是离散的，不连续的，仅取几个有限的离散数值。（3）模拟数据、模拟信号数字数据、数字信号①模拟数据模拟信号②模拟数据数字信号③数字数据模拟信号④数字数据数字信号声音编码/解码器电话调制/解调器直接表示或编码二、有关信道的几个基本概念1.信道信道是沿某一方向传送信息的媒体或介质，是线路的逻辑部件，一条通信线路至少包含一条发送信道和一条接收信道。2.信道的分类（1）从信息交互方式分类单工通信：只有一个方向的通信。半双工通信：通信双方都可以发送和接收信息，但不能同时发送，也不能同时接收。全双工通信：通信双方可以同时发送和同时接收。（2）以传送信号分类模拟信道数字信道（3）以传送信号的形式分类基带信号：将数字0和1直接用两种不同的电压表示和传输。宽带信号：将基带信号调制后，形成频分复用模拟信号，再进行传输。（4）按传输介质分类有线信道无线信道三、信道的最高码元传输率1.原因信号的传输效率受到实际的物理信道的干扰，码元传输速率越高，经过信道传输后的失真度就越大。2.理想低通信道下的奈氏准则（1）理想低通信道对于信号的低频分量，只要其频率不超过某个上限值，都能够不失真的通过此信道。而频率超过该上限值的所有高频分量都不能通过该信道。（2）奈氏准则理想低通信道下的最高码元传输率＝2WBaudW:理想低通信的带宽,单位HzBaud（波特），码元传输速率的单位。1波特为每秒传送1个码元。即每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率为每秒2个码元。3.理想带通信道的奈氏准则（1）理想带通信道即频率在f1~f2之间的频率分量能够不失真的通过此信道，而低于f1和高于f2的频率分量都不能通过该信道。（2）奈氏准则理想带通信道下的最高码元传输率＝1WBaud即每赫带宽的理想带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。实际信道的最高码元传输速率要低于奈氏准则的上限值。4.波特的概念波特是码元传输速率的单位，码元传输速率也称为调制速率或波形速率、符号速率。四、信道的极限信息传输速率（香农公式）1.香农公式信道的极限信息传输速率C=Wlog2(1+S/N)W：信道的带宽S：信道内部所传信号的平均功率N：信道内部高斯噪声的功率S/N:信道的信噪比2.奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围源站发送器传输系统接收器目的站奈氏准则码元传输速率香农公式信息传输速率传输介质有线介质无线介质同轴电缆双绞线光纤屏蔽双绞线（STP）非屏蔽双绞线（UTP）传输介质传输技术短波微波红外线微波中继站卫星§3.3传输介质（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移动无线电一、有线传输介质1.双绞线由两根绝缘铜导线并排对扭在一起而形成，相互绞和可减少对相邻导线的电磁干扰。（1）结构①非屏蔽双绞线ＳＴＰ截面ＵＴＰ截面②屏蔽双绞线（2）分类①电话线使用接口为RJ11，铜线数量为2组（4根）。②计算机网络线使用接口为RJ45，铜线数量为4组（8根）。采用EIA/TIA-568A，EIA/TIA-568B布线标准，主要用于星型网络拓扑结构，已成为计算机网络中使用的主要介质类型之一。优势:价格便宜，容易安装。3.特点（1）非屏蔽双绞线UTP按传输质量分为1类到5类，在计算机网络中最常用的是3类、4类、5类以及5e类非屏蔽双绞线。UTP-3是作为数据级别最低的电缆，通常用于令牌环和10Mbps以太网。UTP-5由四对双绞线对组成，可用于10M、100Mbps的以太网中。近来又出现了超5类和6类非屏蔽双绞线，可满足千兆以太网等高速网络的应用需要。UTP还具有以下优点：非常容易安装：重量轻、易弯曲；无屏蔽外套，外径细小，节省空间；平衡传输，避免了外界干扰；将干扰减至最小；具有开放性，非常适用于结构化综合布线。（2）屏蔽双绞线屏蔽双绞线在双绞线外部有一层铝箔作为绝缘层，它具有较高的传输速率，100m内可达155Mb/s。其安装必须使用配有支持屏蔽功能的特殊连接器。2.同轴电缆（1）结构绝缘保护套层外导体屏蔽层绝缘层内导线（2）分类同轴电缆(CoaxialCable)频带宽，损耗小，抗干扰能力强、传输距离长。①基带同轴电缆阻抗为50Ω，用于传输数字信号，传输速率可达10Mb/s，又分粗缆和细缆。②宽带同轴电缆阻抗为75Ω，用于传输模拟信号，是CATV中的标准传输电缆，采用频分复用技术。3.光缆（光纤）（1）结构、原理护套包层纤芯低折射率高折射率石英玻璃(8-100um)发送端半导体激光器发光二极管接收端光检测器光电二极管（2）分类①多模光纤纤芯直径较粗，光脉冲传输时以多个模式传输，其传输性能不如单模光纤，易造成失真，无中继的传输距离约为2Km。②单模光纤纤芯直径很小，只有几微米，在给定的工作波长上以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大，无中继的传输距离可达几十公里。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（3）光脉冲的波长带宽：25000G·30000GHz850nm，衰减较大，但其它特性较好1300nm，衰减较小1550nm，衰减较小（4）特点传输频带非常宽，通信容量大。传输速率高(实验室中可达30Tb/s，已投入使用的光纤系统传输速率达5Gb/s)。误码率极低。传输损耗极小，中继距离长。不受雷电和电磁干扰，本身也无相互串扰，数据不易被窃听，安全性和保密性好；体积小，重量轻。1km，1对光纤，100kg1km，1000对双绞线，8000kg（5）光纤组网①无源环网T型头熔接在主光纤上，接头处光线强度有损耗，距离有限。光电二极管发光二极管计算机接口光纤②有源环网有源转发器光光光纤光纤铜线铜线铜线与计算机相连接口结构光电二极管（光接收器）发光二极管（光发送器）信号再生器（电信号）二、无线传输介质段号频段名称频段范围（含上限，不含下限）波段名称波长范围（含上限，不含下限）1极低频(ELF)3～30赫（Hz）极长波100～10兆米2超低频(SLF)30～300赫（Hz）超长波10～1兆米3特低频(ULF)300～3000赫（Hz）特长波100～10万米4甚低频（VLF）3～30千赫（KHz）甚长波10～1万米5低频（LF）30～300千赫（KHz）长波10～1千米6中频（MF）300～3000千赫（KHz）中波10～1百米7高频（HF）3～30兆赫（MHz）短波100～10米8甚高频（VHF）30～300兆赫（MHz）超短波10～1米9特高频（UHF）300～3000兆赫（MHz）分米波微波10～1分米10超高频（SHF）3～30吉赫（GHz）厘米波10～1厘米11极高频（EHF）30～300吉赫（GHz）毫米波10～1毫米12至高频300～3000吉赫（GHz）丝米波10～1丝米1.短波频率范围：104~108Hz依靠电离层的辐射2.微波频率范围在300MHz—300GHz，通常使用2G—40GHz。微波只能直线传输，而且可以穿透电离层，所以长距离通信需在地面架设微波中继站，或在同步地球卫星上安装中继器。（1）地面微波接力通信①结构②特点频率范围宽，信道容量大受到其它频率的干扰少，传输质量较高微波中继站50km地球与电缆载波相比，投资少，见效快传播时延小，3.3us/km③缺点相邻站之间必须直视，不能有障碍物。因发送天线与接收天线的差异,易造成失真。易受恶劣天气影响与电缆通信相比，隐蔽性、保密性差需使用大量中继站，维护费用较高（2）卫星通信①结构以人造地球同步卫星作为中继站。卫星上行信道下行信道3.6万km120o120o120o赤道上空的同步轨道②特点覆盖范围广具有广播特性很大的传播时延，270ms昂贵，卫星本身和发射卫星的火箭造价都非常高。同步轨道最多允许180个卫星有12-20个转发器/卫星，带宽36M～50MHz/转发器3.红外线红外线常用于小范围(例如在一个房间)的信号传输。它可用于便携式计算机。例如我们可以在一个房间的计算机网络中使用红外线来让笔记本计算机在房间内移动时均保持与网络连接。一、模拟传输系统§3.4模拟传输与数字传输交换中心交换中心交换中心本地电话网本地用户线（二线）电话机本地电话网长途干线（四线）目前我国长途通信线路已实现了数字化，因而现在的模拟通信电路就只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。采用二线/四线转换器为了抑制回声，加装回波抑制器标准话路的频率范围300～3400Hz1个标准话路的带宽为4KHz采用频分复用FDM技术二、调制解调器1.调制解调器的功能（1）调制波形变换器（2）解调波形识别器（3）差错检测和纠正2.几种调制方法y=Asin(ωt+φ)（1）调幅AM幅移键控法ASK0－无载波输出1－有载波输出（2）调频FM频移键控法FSK0－频率f11－频率f2（3）调相PM相移键控法PSK0－相位001－相位1800举例：对基带数字信号010011100的几种不同调制方法。010011100基带信号调幅调频调相一种正交调制QAMQAM(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。3.关于调制解调器的速率（1）速率标准ITU-TV.34标准33.6Kbps上行33.6Kbps下行33.6KbpsITU-TV.90标准56Kbps上行33.6Kbps下行56KbpsITU-TV.92标准56Kbps上行48Kbps下行56Kbps上行：用户ISP下行：ISP用户产生量化噪声的地方（经过A/D变化的地方）A2/4A/DA/DD/AD/A数字信号数字信号交换机1交换机2V.3433.6kb/s调制解调器BD/AA/D4/2V.3433.6kb/s调制解调器产生量化噪声产生量化噪声使用V.34调制解调器（33.6kb/s）产生量化噪声产生量化噪声用户环路模拟信号用户环路模拟信号产生量化噪声的地方（续）（经过A/D变化的地方）使用V.90调制解调器（56kb/s）A2/4A/DA/D交换机因特网服务提供者V.9056kb/s调制解调器D/AV.9056kb/s调制解调器数字信号数字信号至因特网（数字信号）用户环路模拟信号