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實體層資料傳輸

實體層資料傳輸. 林錦財 講解. 學習目標. 資料與訊號 數位與類比 頻寬 基頻傳輸與寬頻傳輸 傳送損耗 基頻編碼技術 寬頻調變技術. 學習目標. 同步 (Synchronization) 平行傳輸與序列傳輸 同步與非同步傳輸模式 線路複用 ( 多工 ) 傳輸媒介. 資料通訊. 資料 要透過 傳輸媒介 (Media) 從發送端傳遞到接收端 , 得先依照傳輸媒介的特性 , 將資料轉換成傳輸媒介上所承載的 訊號 (Signal) 。 接收端自傳輸媒介取得訊號後 , 再將其還原成資料。

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實體層資料傳輸

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Presentation Transcript

  1. 實體層資料傳輸 林錦財 講解

  2. 學習目標 資料與訊號 數位與類比 頻寬 基頻傳輸與寬頻傳輸 傳送損耗 基頻編碼技術 寬頻調變技術

  3. 學習目標 • 同步 (Synchronization) • 平行傳輸與序列傳輸 • 同步與非同步傳輸模式 • 線路複用(多工) • 傳輸媒介

  4. 資料通訊 資料要透過傳輸媒介(Media) 從發送端傳遞到接收端, 得先依照傳輸媒介的特性, 將資料轉換成傳輸媒介上所承載的訊號(Signal)。 接收端自傳輸媒介取得訊號後, 再將其還原成資料。 不同傳輸媒介所承載的訊號類型各不相同, 訊號的物理特性也各異。

  5. 銅質纜線的資料傳輸

  6. 光纖纜線的資料傳輸

  7. 無線型態的資料傳輸

  8. 資料 vs 訊號 類比訊號 數位訊號 • 資料(data) • 數位(digital): 0110… • 類比(analog): 聲音、影像… • 訊號(signal) • 數位 • 類比

  9. 資料 vs 訊號 • 數位資料以數位訊號傳送 • 如RS-232 • 數位資料以類比訊號傳送 • 調變(modulation)  數據機(modem) • 類比資料以類比訊號傳送 • 如電台廣播 • 類比資料以數位訊號傳送 • 數位化(取樣+量化還原)，如PCM

  10. 資料的數位與類比 • 數位泛指一切可數的資訊, • 類比則是那些只能透過比較技巧進行區分的不可數資訊。

  11. 資料的數位與類比 在傳統的溫度計上, 水銀的體積會隨溫度的變化而熱漲冷縮, 透過玻璃管柱旁的刻度便可讀出溫度值。水銀在管柱內升降時, 不見得就會準確地落在刻度上, 刻度與刻度之間, 有著無限多種可能的高度, 所以算是類比裝置。

  12. 資料的數位與類比 現代的數字溫度計上的溫度有變化時, 每個溫度值則會直接跳到下一個溫度值, 兩個溫度值之間並不存在其它的數值, 所以它是數位裝置。

  13. 資料的數位與類比 數位資訊由可數的資訊元素所組成。 可數的資訊有一個最小的分階單位, 元素與元素之間不存在其它中間元素。 依序將不可數元素排列起來會呈現出鋸齒狀的不連續性分布。

  14. 資料的數位與類比 類比資訊由不可數的資訊元素所組成。 不可數的資訊元素不分階, 元素與元素之間還存在著無數個中間元素。 依序將不可數元素排列起來會呈現出較平滑的連續性分布。

  15. 資料的數位化 未量化的類比資料, 經過量化的取樣(Sampling) 過程後, 還是可以轉換成數位資料。 由於類比資料經過取樣過程後就變成了數位資訊, 所以這種取樣過程也常被稱為數位化(digitize) 。

  16. 訊號的數位與類比 在傳統的電話系統之下, 發話端利用聲音的類比震動直接改變傳輸電流大小, 在銅質纜線上產生出類比電流變動, 接收端則依據類比電流變動還原出類比震動的聲音。

  17. 訊號的數位與類比 現代的區域網路數位傳輸技術, 以二階的基頻傳輸為例, 在傳送由 0 與 1 所組成的數位資訊時, 發送端會依照資料位元的內容 (0 或1) 分別輸出高低兩種電位狀態。接收端則依據電位的高低狀態還原出資料內容。 在傳輸過程中發送端送出的訊號狀態只有兩種, 接收端也只依據這兩種訊號狀態還原資料。訊號的製作與解讀時都對訊號狀態進行分階動作, 所以是數位資訊透過數位訊號傳送的典型例子。

  18. 訊號的數位與類比 由於數位訊號的訊號狀態有分階, 所以抗雜訊與失真的能力較佳。以 +1V 與 -1V 所組成的二階基頻訊號為例, 發送端與接收端只承認這兩種電位狀態。發送端若送出一個 +1V 訊號, 傳輸途中就算有一個 -0.1V 的雜訊混入, 接收端依舊會將這個 +0.9V 的訊號視為 +1V 訊號, 無形之中也就將雜訊所造成的影響過濾掉了。

  19. 類比訊號(載波) • 週期波 • 正弦波sine • 週期(或頻率) • 振幅 • 相位 • 複合波

  20. 頻寬 • 通過介質的頻率範圍 • 最高頻率－最低頻率 • 範圍外頻率訊號易衰減變形 • 介質 • 銅線 • 光纖 • 無線電 • 濾波器(filter)

  21. 基頻傳輸與寬頻傳輸 訊號的傳輸方式分為兩大類：基頻(Baseband) 傳輸與寬頻 (Broadband) 傳輸。 其中基頻傳輸是直接控制訊號狀態的傳訊方式；寬頻傳輸則是控制載波 (Carrier) 訊號狀態的傳輸技術。

  22. 基頻訊號的發送與接收 基頻 (Baseband) 傳輸是直接控制訊號狀態的傳訊方式, 以銅質纜線上的電流訊號為例, 便是直接改變電位狀態來傳輸資料：

  23. 載波訊號的調變與解調 所謂的載波 (Carrier Wave)是指可以用來載送資料的訊號。因為資料並不是直接轉換為訊號送出去, 而是要透過改變載波訊號的特性來承載資料, 訊號到達目的地之後, 才由接收端將資料從載波訊號上分離出來。

  24. 載波訊號的調變與解調 • 在實作上, 我們是以正弦波訊號作為載波, 並根據資料內容是 0 或 1 來改變載波的特性, 將它與正常的載波 (正弦波) 比較, 便可得知哪些特性有變動, 再從這些變動部份推得原本的資料, 這種傳輸方式便是寬頻傳輸的重要特性。 • 頻率 • 振幅 • 相位

  25. 載波訊號的調變與解調

  26. 載波訊號的調變與解調 將資料放上載波的動作稱為調變 (Modulation) , 執行調變動作的裝置或程式稱為調變器 (Modulator)。 將資料與載波分離的動作稱為解調 (Demodulation) , 執行解調變動作的裝置或程式稱為解調器 (Demodulator)。

  27. 載波傳輸不等於類比傳輸 由於早期的載波傳輸都應用在類比傳輸上, 例如：AM 與 FM 無線電廣播、類比電話系統、類比式無線電視系統、類比式有線電視系統等, 所以早期的教科書都喜歡將載波傳輸與類比傳輸畫上等號。 然而寬頻傳輸也用到載波傳輸, 於是寬頻傳輸就被歸類成類比傳輸, 其實這並不正確。

  28. 載波傳輸不等於類比傳輸 隨著載波在數位傳輸上的應用漸頻繁, 通訊衛星的無線載波通訊早已數位化, 未來將普及的 HDTV(高解析度電視) 廣播訊號也採用數位載波訊號傳送電視節目。

  29. 載波傳輸不等於單向傳輸 10Base2 的基頻訊號可以沿著同軸纜線上的兩個方向傳遞出去, 但 10Broad36 的寬頻訊號卻僅能沿著同軸纜線上一個固定方向傳遞過去。

  30. 載波傳輸不等於單向傳輸 當然, 這也僅是 10Base2 與 10Broad36 兩者之間的差異, 並非所有的基頻傳輸與寬頻傳輸都必定如此。

  31. 傳送損耗(impairment) 衰減 變形 雜訊

  32. 衰減(Attenuation) db: 訊號強度(power)比 10 log10 (P2/P1) = 10 log10 (0.5P1/P1) = 10 log10 (0.5) = 10(–0.3) = –3 dB db: 電壓(voltage)比 20 log10 (V2/V1) = –? dB

  33. 變形(Distortion)

  34. 雜訊(Noise) 訊號雜訊比(SNR)：影響資料率(品質)  尼快斯特(Nyquist)公式 通道容量=頻寬×log2(1+SNR)

  35. 傳送時間 • 吞吐量(throughput) • 位元數 • 位元頻寬 • 每秒通過多少位元(bps) • 傳播時間(propagation time) • 與訊號在介質上的傳播速度(propagation speed)成反比 • 傳送時間 = 資料量/位元頻寬 + 距離/傳播速度

  36. 基頻編碼技術 為了方便解釋各種基頻 (Baseband) 傳輸控制技術如何將資料轉換成訊號, 以下便以電流脈衝為例說明。 至於光纖與無線電磁波的基頻傳輸, 則套用相同原理即可。

  37. 數位線路編碼 單極 極性 雙極 不歸零 歸零

  38. 二階基頻訊號的編碼方式 所謂的二階訊號, 是指訊號上僅能區分出兩種邏輯狀態。以電流脈衝來說, 便是兩端電位的高與低。 Nonreturn-To-Zero (NRZ, 不回歸零) Return-To-Zero (RZ, 回歸零) Nonreturn-To-Zero-Inverted (NRZI, 不回歸零反轉) Manchester (曼徹斯特) Differential Manchester (差動式曼徹斯特)

  39. Nonreturn-To-Zero • 這是最原始的基頻傳輸方式, 100VG-AnyLAN 網路便採用這種編碼方式。

  40. Return-To-Zero • 10Mbps ARCNET 網路採用這種編碼方式。

  41. Nonreturn-To-Zero-Inverted

  42. Nonreturn-To-Zero-Inverted • 10Base-F 網路採用這種編碼方式。

  43. Manchester (曼徹斯特) • 10Base-T 網路採用這種編碼方式。

  44. Differential Manchester 差動式曼徹斯特沿襲了曼徹斯特固定在每個位元中變換電位狀態的做法, 電位狀態的變化方式則有所不同：

  45. Differential Manchester Token Ring 網路採用這種編碼方式。

  46. 多階基頻訊號的編碼方式 就三階的電流脈衝而言, 訊號通常區分成三種電位狀態，分別為：正電位、零電位、負電位。

  47. 三階的基頻傳輸方式 Bipolar Alternate Mark Inversion (Bipolar-AMI, 雙極交替記號反轉)：早期 T-Carrier 網路採用這種編碼方式。 Bipolar-8-Zero Substitution (B8ZS, 雙極訊號八零替換)：新式 T-Carrier 網路採用這種編碼方式。

  48. 三階的基頻傳輸方式 • High density bipolar 3 (HDB3, 高密度雙極訊號3)：E-Carrier 網路採用這種編碼方式。 • Multilevel Transmission 3 (MLT-3, 多階傳輸3)：100Base-TX 網路採用這種編碼方式。

  49. 區塊編碼 => 保持同步 4B/5B 8B/10B 8B/6T

  50. 4B/5B encoding

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