第 2 章 物 理 层

1. 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 2.3 物理层下面的传输媒体 2.4 模拟传输与数字传输 2.5 信道复用技术 2.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 2.7 物理层标准举例

2. 2.1 物理层的基本概念 物理层是向数据链路层提供服务的，它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。 • 规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

3. 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 信道的最高码元传输速率 2.2.4 信道的极限信息传输速率

4. 数字比特流 模拟信号 模拟信号 数字比特流 数据通信系统 正文 正文 公用电话网 调制解调器 调制解调器 PC 机 PC 机 源系统 传输系统 目的系统 传输 系统 源点 接收器 发送器 终点 输入数据 接收 的信号 输入信息 发送 的信号 输出数据 输出信息 2.2.1 数据通信系统的模型

5. 几个术语 • 数据(data)——运送信息的实体。 • 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 • “模拟的”(analogous)——连续变化的。 • “数字的”(digital)——取值是离散数值。 • 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。 • 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。

6. 放大器 调制器 模拟数据 模拟信号 PCM 编码器 模拟数据 数字信号 数字数据 调制器 模拟信号 数字 发送器 数字数据 数字信号 • 模拟的和数字的数据、信号

7. 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。 • 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)。 • 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。 • 基带信号就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 • 宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。

8. 2.2.3 信道的最高码元传输速率 • 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。

9. 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 (失真严重) • 数字信号通过实际的信道 • 失真不严重 • 失真严重 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)

10. 奈氏（Nyquist）准则 • 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud • W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) • 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2个码元。 • Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送1个码元。 能通过 不能通过 0 频率(Hz) W (Hz)

11. 另一种形式的奈氏准则 • 理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud • W 是理想带通信道的带宽，单位为赫(Hz) • 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1个码元。 不能通过 能通过 不能通过 0 频率(Hz) W (Hz)

12. 波特(Baud)和比特(bit) • 波特率指单位时间所传送的码元数目，或者表示信号调制过程中单位时间内调制信号波形的变换次数。单位为波特(Baud)。 • 比特率与波特率的关系 • 比特率Rb和波特率RB统称为系统的传输速率。 • 在不同的信号调制系统中，每个码元所载的比特是不同的。例如，二进制数字传输中一个码元可携带一个bit，八进制数字传输中，一个码元可载三个bit。 • 一般而言，每个码元脉冲可代表log2M个M进制bit。即，比特率与波特率的关系为 Rb = RB log2M bps 例：如M=4， RB =1200Baud，则信息传输速率 Rb = 1200 log24 = 2400 bps

13. 2.2.4 信道的极限信息传输速率 • 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 C 可表达为 C = W log2(1+S/N ) b/s • W 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。

14. 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。 • 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。

15. 2.3 物理层下面的传输媒体 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

16. 2.3.1 导向传输媒体 • 双绞线：把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。 • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 屏蔽双绞线 STP 无屏蔽双绞线 UTP 绝缘层 铜线 屏蔽层 聚氯乙烯 套层 聚氯乙烯 套层 铜线 绝缘层

17. 什么是近端串扰 当电流在一条导线中流通时，会产生一定的电磁场，干扰相邻导线上的信号。频率越高这种影响就越大。双绞线就是利用两条导线绞合在一起后，因为相位相差180度的原因而抵消相互间的干扰的。绞距越紧则抵消效果越佳，也就越能支持较高的数据传输速率。 近端串扰是指在与发送端处于同一边的接收端处所感应到的从发送线对感应过来的串扰信号。在串扰信号过大时，接收器将无法判别信号是远端传送来的微弱信号还是串扰信号。

18. 2.3.1 导向传输媒体 • 同轴电缆：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。 • 50 同轴电缆 • 75 同轴电缆 绝缘层 绝缘保护套层 外导体屏蔽层 内导体

19. 同轴电缆分类 通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类： （1）50 同轴电缆 又称为基带同轴电缆。在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。常用的两种编码方法，即：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。 （2）75 同轴电缆 又称为宽带同轴电缆。 在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。

20. 三种常用的编码方法

21. 光缆 光缆通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直径只有8 ~ 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯。这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

22. 光纤 折射角 包层 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角 包层 （低折射率的媒体）

23. 光纤的工作原理 低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射

24. 输入脉冲 输出脉冲 • 多模光纤与单模光纤 • 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一临界角度，就可产生全反射。因此可存在许多不同入射角度的光线在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤。光在多模光纤中传输会逐渐展宽，只适合于近距离的传输。

25. 单模光纤 输入脉冲 输出脉冲 • 多模光纤与单模光纤 • 当光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤可使光线一直向前传播而不产生多次反射，这样的光纤称为单模光纤。单模光纤的纤芯和细，造价较高，且光源昂贵，但损耗较小，适合远距离传输。

26. 光纤的特点 1、通信容量大。 2、传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济。 3、抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。 4、无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。 5、体积小，重量轻。 6、光纤对接需专用设备，光电接口也较贵。

27. 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

28. 地面微波接力通信 优点： • 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；微波传输质量较高；建设投资少，见效快。 缺点： • 相邻站之间必须直视，不能有障碍物； • 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响； • 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差； 对大量中继站的使用和维护要耗费一定的人力和物力。

29. 卫星通信 通信方法是在地球站之间利用位于约36000公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。 卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。 卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。

30. 2.4 模拟传输与数字传输 2.4.1 模拟传输系统 2.4.2 调制解调器 2.4.3 数字传输系统

31. 2.4.1 模拟传输系统 • 长途干线采用频分复用FDM 的传输方式 • FDM (Frequency Division Multiplexing) • 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。

32. 发送的 基带信号 0 1 0 0 1 1 1 0 0 t 接收到的 失真信号 t 采样时刻 t 还原后 的数据 0 1 0 0 1 0 1 0 0 出现差错 2.4.2 调制解调器 数据经过模拟传输系统后会出现差错

33. 1、调制解调器的作用 调制解调器（modem）包括： • 调制器：把要发送的数字信号转换为频率范围在 300~3400 Hz 之间的模拟信号，以便在电话用户线上传送。 • 解调器：把电话用户线上传送来的模拟信号转换为数字信号。 调制器的作用就是个波形变换器，它把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 。 解调器的作用就是个波形识别器，它将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。

34. 2、几种最基本的调制方法 • 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。 0 1 0 0 1 1 1 0 0 基带信号 调幅 调频 调相

35. 一种正交调制 QAM • 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4 bit 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 4 bit 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。 (r, ) r 

36. 3、调制解调器的速率 • 目前调制解调器的信息传输速率已很接近于香农的信道容量极限了。 • 要提高信息传输速率，只能设法提高信噪比。 • 在电话的用户线上，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声。

37. 产生量化噪声 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 数字信号 数字信号 产生量化噪声 • 产生量化噪声的地方 使用 V.34 调制解调器（33.6 kb/s） 交换机 2 交换机 1 B A A/D D/A A/D D/A 2/4 4/2 V.34 33.6 kb/s 调制解调器 V.34 33.6 kb/s 调制解调器 A/D D/A

38. 仅在此处 产生量化噪声 仅在此处 产生量化噪声 至因特网 （数字信号） 用户环路 模拟信号 数字信号 数字信号 • 产生量化噪声的地方（续） 使用 V.90 调制解调器（56 kb/s） 因特网服务提供者 交换机 A/D A D/A 2/4 V.90 56 kb/s 调制解调器 V.90 56 kb/s 调制解调器 A/D

39. 调制解调器使用异步通信方式 • 数据通信可分为同步通信和异步通信两大类： • 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一致。发送端发送连续的比特流。当接收端的判决点移动的时间超过码元宽度的一半时(本来判决点应当处于每一个码元的中间)，就要产生差错，这就是所谓的滑动(slip)。 • 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间隔再发送下一个字节。异步通信的通信开销较大，但接收端可使用廉价的、具有一般精度的时钟来进行数据通信。

40. 2.4.3数字传输系统 为了将模拟电话信号转变为数字信号，必须先对电话信号进行采样。根据采样定理，只要采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。标准的电话信号的最高频率为3.4 kHz，为方便起见，采样频率就定为8 kHz，相当于采样周期为125 s。

41. 信号 t 采样 采样周期 T t 编码 t 1100 解码 0010 1001 0011 t 还原 t 2.4.3数字传输系统 现在的数字传输系统均采用脉码调制PCM（Pulse Code Modulation）体制。

42. T • 时分复用 • 为了有效地利用传输线路，可将多个话路的PCM 信号用时分复用TDM 的方法装成时分复用帧，然后发送到线路上。 CH0 CH0 CH1 CH1 … … 2.048 Mb/s CH15 CH15 CH16 CH16 CH17 传输线路 CH17 … … CH31 CH31 时分复用帧 时分复用帧 时分复用帧 t 8 bit … … CH15 CH16 CH17 CH30 CH31 CH0 CH1 CH2 CH0 15 个话路 15 个话路 T = 125  s

43. 2.5 信道复用技术 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.5.2 波分复用 2.5.3 码分复用

44. 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。 频率 频率 5 频率 4 频率 3 频率 2 频率 1 时间

45. 在TDM帧中的位置不变 频率 A A A A B C D B C D B C D B C D … TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时间 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 时分复用：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

46. 时分复用可能会造成线路资源的浪费 用户 时分复用 a a A t ① B t b b ② t a b b c c a d ③ c c C t #1 #2 #3 #4 ④ d D t 4 个时分复用帧

47. 统计时分复用 STDM 改进的时分复用，明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。 用户 统计时分复用 A a a t ① B b b ② t t a b b c c d a ③ C c c t #3 #2 #1 ④ D d t 3 个 STDM 帧

48. 2.5.2 波分复用 波分复用就是光的频分复用。 8  2.5 Gb/s 1310 nm 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 20 Gb/s EDFA 复 用 器 分 用 器 120 km

49. 2.5.3 码分复用 • 常用的名词是码分多址 CDMA ，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。 • 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。 • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

50. 码片序列(chip sequence) • 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 • 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 • 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 • 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 • 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， • 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 • 为了方便，将码片中的0写为-1，1写为+1。 S 站的码片序列：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) • CDMA的重要特点： • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。