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第 2 章 物理层

第 2 章 物理层. 传输介质 比特与信号 多路复用 传输模式. 物理层的接口 电话系统 Internet 的接入. 传输介质. 双绞线 同轴电缆 光缆 无线传输 卫星通信. 双绞线 （ twisted pair ）. 由两根彼此绝缘的铜线按螺旋状绞合在一起。这一对线作为一条通信链路 线间干扰较小、价格便宜、易于安装 可传输模拟信号，也可传输数字信号 无屏蔽和屏蔽双绞线：屏蔽双绞线就是在双绞线外加一层金属网罩或护皮，使之能抵抗环境的干扰 EIA-568 标准： 3 、 4 、 5 类双绞线 类越高，绞合的越紧密. 双绞线 续.

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第 2 章 物理层

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  1. 第2章 物理层 • 传输介质 • 比特与信号 • 多路复用 • 传输模式 • 物理层的接口 • 电话系统 • Internet的接入

  2. 传输介质 • 双绞线 • 同轴电缆 • 光缆 • 无线传输 • 卫星通信

  3. 双绞线 （twisted pair） • 由两根彼此绝缘的铜线按螺旋状绞合在一起。这一对线作为一条通信链路 • 线间干扰较小、价格便宜、易于安装 • 可传输模拟信号，也可传输数字信号 • 无屏蔽和屏蔽双绞线：屏蔽双绞线就是在双绞线外加一层金属网罩或护皮，使之能抵抗环境的干扰 • EIA-568标准： • 3、4、5类双绞线 • 类越高，绞合的越紧密

  4. 双绞线 续 • 3类双绞线通常用于话音级电缆。如果传输距离不远，3类双绞线的数据传输率可达16Mbps • 5类双绞线是数据级电缆，传输速率可达100Mbps

  5. 传输介质 • 双绞线 • 同轴电缆 • 光缆 • 无线传输 • 卫星通信

  6. 同轴电缆 • 由一根空心的圆柱体的外导线和柱体内部的一根内导线组成 • 比双绞线传输的距离长，传输率也更高 • 用途： • 电视节目的传输 • 长途电话的传输 • 局域网

  7. 同轴电缆 常用的同轴电缆有两种： • 50Ω同轴电缆 • 50Ω同轴电缆用于数字信号传输，目前基本已被双绞线所替代 • 75Ω同轴电缆 • 75Ω同轴电缆用于模拟信号传输，目前主要用于电视信号的传输 • 由于75Ω同轴电缆的带宽极宽，所以，也被用于城域网，如有线通

  8. 传输介质 • 双绞线 • 同轴电缆 • 光缆 • 无线传输 • 卫星通信

  9. 光缆 • 由玻璃或塑料组成 • 多模光缆：信号通过光的折射在光纤中传输，距离2 km • 单模光缆：直线传输，距离10 km

  10. 光缆的特点应用 • 特点 • 传输速率更高 • 体积更小、重量更轻 • 衰减更小不受外部电磁场的干扰 • 应用 • 长途干线 • 市区的干线 • 局域网

  11. 传输介质 • 双绞线 • 同轴电缆 • 光缆 • 无线传输 • 卫星通信

  12. 无线传输 根据波长分成不同的波段，依次为无线电、微波、红外、可见光、紫外等 • 无线电传输 • 微波传输 • 红外线 • 光波传输

  13. 用于通信的电磁波频段 f(Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 波长 30km3km30m3m30mm3mm30µm3µm f(Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 双绞线 卫星通信 光通信 同轴电缆 微波通信 AM FM TV Tnbm P101 Fig.2-11 用于通信的电磁波频段

  14. 无线通信频段 • 通常用微波或红外线 • 红外通常用于特定区域中（如一个房间）内的通信 • ISM频段：即工业，科学和医用频段。 • 应用这些频段无需许可证，只需要遵守一定的发射功率，并且不要对其它频段造成干扰即可。 • ISM频段在各国的规定并不统一。如在美国有三个频段902-928 MHz, 2400-2483.5 MHz, 5725-5850 MHz，而在欧洲900MHz的频段则有部份用于GSM通信。 • 2.4GHz为各国共同的ISM频段。因此无线局域网，蓝牙，ZigBee等无线网络，均可工作在2.4GHz频段上。

  15. 地面微波通信模型 • 传输距离：天线的高度、类型和信号强度 • 传输可靠性：障碍物 • 传输正确性：气象条件 • 用途：用于代替同轴电缆或光缆

  16. 传输介质 • 双绞线 • 同轴电缆 • 光缆 • 无线传输 • 卫星通信

  17. 36000km 地球同步卫星 端到端 单程 270ms 往返 540ms 地面站 卫星通信 • 将通信卫星作为一个微波中继站 • 用途 • 电视节目 • 长途电话 • 商业网络

  18. 地球同步卫星 VSAT VSAT 中央站 VSAT模型 VSAT：甚小孔径卫星终端 very small aperture satellite terminals

  19. 第2章 物理层 • 传输介质 • 比特与信号 • 多路复用 • 传输模式 • 物理层的接口 • 电话系统 • Internet的接入

  20. 比特与信号 数字数据最终都被表示成比特串，数字传输的本质就是把比特串变成信号 • 数字信号的傅里叶分析 • 数据传输 • Nyquist定理 • 香农定理

  21. 数字信号的Fourier分析 傅立叶级数：任何正常周期为T的函数g(t)，都可由（无限个）正弦和余弦函数合成： 其中，f=1/T是基频，an和bn称为正弦和余弦函数的n次谐波的振幅，c是常数

  22. 任何信号的传输都可理解为以傅立叶级数的形式传递任何信号的传输都可理解为以傅立叶级数的形式传递 如每个傅立叶级数的信号分量被等量衰减，则合成后，振幅有所衰减，基本形状不变 对任何已知的g(t)，可求得：

  23. 谐波数越高，传输质量越好 如传输ASCII字符b，即 01100010，可求得：

  24. t/µs t/µs 更进一步的细化可见：http://jpkc.seiee.sjtu.edu.cn/jsjwl

  25. 对指定的最高频率，传输带宽是有限的 每个信道能通过的频率范围都是有限的，要保证信号的正确传输，至少要能通过4个谐波，这就限制了数据传输速率 假如，一个信号携带一个bit，信号的速率为b，则发送8 bit(1B)需要T=8/b秒，因而基频f = 1/T = b/8 Hz 如：截止频率为F 则：最大的谐波次数n满足nf<=F，即：n<=F/f=8F/b

  26. 当截止频率为F为3000HZ时 Tnbm P89 Fig. 2-2 传输速率与谐波的关系

  27. 比特与信号 数字数据最终都被表示成比特串，数字传输的本质就是把比特串变成信号 • 数字信号的傅里叶分析 • 数据传输 • Nyquist定理 • 香农定理

  28. 数据传输 数据传输以信号为载体 • 模拟传输：是指模拟数据的传输，不关心所传输信号的内容，而只关心尽量减少信号的衰减和噪声，长距离传输时，采用信号放大器放大被衰减的信号，但同时也放大了信号中的噪声 • 数字传输：是指数字数据的传输，关心信号的内容，可以数字信号传输，也可以模拟信号传输，长距离传输时，采用转发器，可消除噪声的累积 • 长距离传输时，通常采用的是数字传输

  29. 数据传输 • 数字数据的模拟信号传输 • 数字数据的数字信号传输 • 模拟数据在数字信道上传输

  30. 数字数据的模拟信号传输 将数字数据调制成模拟信号进行传输， 通常有三种基本的调制方式： 1) 调幅ASK(Amplitude Shift Keying) 2) 调频FSK(Frequency Shift Keying) 3) 调相PSK(Phase Shift Keying) 目前广泛应用的调制技术是正交调相： QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)

  31. 0 1 ASK 调幅ASK(Amplitude Shift Keying) 用载波的两个不同的振幅来表示两个二进制值 如用无信号表示0 有信号表示1

  32. 数字数据的模拟信号传输 将数字数据调制成模拟信号进行传输， 通常有三种基本方式： 1) 调幅ASK(Amplitude Shift Keying) 2) 调频FSK(Frequency Shift Keying) 3) 调相PSK(Phase Shift Keying) 目前广泛应用的调制技术是正交调相： QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)

  33. 0 1 FSK 调频FSK(Frequency Shift Keying) 用载波附近的两个不同的频率来表示两个二进制值 如用信号频率为f表示0 信号频率为2f表示1

  34. 数字数据的模拟信号传输 将数字数据调制成模拟信号进行传输， 通常有三种基本方式： 1) 调幅ASK(Amplitude Shift Keying) 2) 调频FSK(Frequency Shift Keying) 3) 调相PSK(Phase Shift Keying) 目前广泛应用的调制技术是正交调相： QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)

  35. 0 1 PSK 调相PSK(Phase Shift Keying) 用载波的相位移动来表示两个二进制值 如用信号相位角为0表示0 相位角为表示1

  36. 数字数据的调制举例 010011100 基带信号 调幅 调频 调相

  37. 数字数据的模拟信号传输 将数字数据调制成模拟信号进行传输， 通常有三种基本方式： 1) 调幅ASK(Amplitude Shift Keying) 2) 调频FSK(Frequency Shift Keying) 3) 调相PSK(Phase Shift Keying) 目前广泛应用的调制技术是正交调相： QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)

  38. QPSK 2bit/采样 QAM-16 4bit/采样 QAM-64 6bit/采样 正交调相QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) Tnbm P128 Fig. 2-25 (a) (b) (c)

  39. 数据传输 • 数字数据的模拟信号传输 • 数字数据的数字信号传输 • 模拟数据在数字信道上传输

  40. 数字数据的数字信号传输 最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1 常用的数字信号编码有： • 不归零编码 • 曼切斯特编码 • 差分曼切斯特编码 • 4B/5B编码

  41. 时钟脉冲 二进制bit流 不归零制编码 10100110 不归零编码NRZ（nonreturn-to zero） 正电平表示1，零电平表示0，并且在表示完一个比特后，电平毋需回到零 缺点是存在发送方和接收方的同步问题 其实，用不归零制编码时，一个时钟周期可表示两个bit 所以，不归零制编码是效率最高的编码 但它不能携带时钟信号，且无法表示没有数据传输

  42. 数字数据的数字信号传输 最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1 常用的数字信号编码有： • 不归零编码 • 曼切斯特编码 • 差分曼切斯特编码 • 4B/5B编码

  43. 0 1 曼切斯特编码（Manchester encoding） bit中间有信号低-高跳变为0 bit中间有信号高-低跳变为1 采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit 但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输

  44. 数字数据的数字信号传输 最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1 常用的数字信号编码有： • 不归零编码 • 曼切斯特编码 • 差分曼切斯特编码 • 4B/5B编码

  45. bit中间有信号跳变， bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0 bit中间有信号跳变， bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为1 0 1 0 1 差分曼彻斯特编码 （differential Manchester encoding） 特性与曼切斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼切斯特编码

  46. 数字数据的数字信号传输 最简单的方法是用两个不同的电压信号值来表示两个二进制的数字数据值0和1 常用的数字信号编码有： • 不归零编码 • 曼切斯特编码 • 差分曼切斯特编码 • 4B/5B编码

  47. 4B/5B编码 • 不归零制编码的一种变种 • 数据流中每4个bit成一个组合，并对应为5个bit的编码 • 5B编码中至少有两个1，即保证在传输中信号至少发生两次跳变，这是在接收端提取时钟信号所必须的

  48. 16进制数的4B/5B编码对照表 发送端发送的每4个bit被用5个bit表示，接收端采样5次便可得到4个bit，由于每个5B编码中至少有两个1，所以接收端能提取时钟信号

  49. 四种编码方式的比较 • 不归零制编码的编码密度最高，接收端一次采样可得到一个bit ，即波特率等于比特率，但不能携带时钟 • 曼切斯特编码的编码密度最低，接收端二次采样才可得到一个bit ，即波特率是比特率的两倍，但每个bit中都有信号跳变，即携带了时钟 • 差方曼切斯特编码与曼切斯特编码基本相同 • 4B/5B编码的编码密度略低于不归零制编码，但高于曼切斯特编码，即波特率是比特率的1.25倍，然而在接收端能提取时钟

  50. 100001011110 编码举例 bit流 二进制编码 曼切斯特编码 差分曼切斯特编码 bit与bit之间有跳变，下一个bit为0 bit与bit之间无跳变，下一个bit为1

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