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Chapter 2

Chapter 2. The Physical Layer. Introduction. 向上提供 无结构的比特流. 001110. 001110. SAP. SAP. 信道编 / 解码 介质驱动. 信道编 / 解码 介质驱动. 物理接口. 信道还涉及. 传输载体. 传 输 速 率. 模拟、数字传输. 同步异步传输. 双 工 、 半 双 工. 传 输 介 质. 通 信 系 统. 接口形状 / 尺寸 / 引脚等 0 1 信号的表示 各引脚的功能 各引脚工作规则和顺序. ★. Introduction.

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  1. Chapter 2 The Physical Layer

  2. Introduction 向上提供 无结构的比特流 001110 001110 SAP SAP 信道编/解码 介质驱动 信道编/解码 介质驱动 物理接口 信道还涉及 传输载体 传 输 速 率 模拟、数字传输 同步异步传输 双 工 、 半 双 工 传 输 介 质 通 信 系 统 • 接口形状/尺寸/引脚等 • 0 1信号的表示 • 各引脚的功能 • 各引脚工作规则和顺序 ★ 电子科大通信学院

  3. Introduction • 物理层、传输介质相关内容介绍 • 传输理论基础 • 数字信号传输基本理论 • 信道、传输介质 • 直接通信信道 • 通信系统及提供的信道 • 接口 • 接口装置、接口设备 Data Link Data Link Physical Physical Transmission medium (Channel) 通信系统 物理信道 通信系统信道 电子科大通信学院

  4. Introduction • 与计算机网络相关的主要内容 • 传输速率(通信能力问题) • 信道长度(传输延迟问题) • 信道类型(站点连接问题) • 误码率(传输错误问题) 电子科大通信学院

  5. The Physical Layer Agenda • Basic Theory • Transmission Parameters • Transmission Media • Transmission scheme • Physical Interfaces • Appendix • Summary 电子科大通信学院

  6. Basic Theory • 信号的幅频特性 • 时域信号—频域信号 • 时域信号变化越剧烈，对应的频域就越宽 • s(t) S(f) t: 时间；f:频率 • 信道的幅频特性 • 任何信道，对不同频率的信号有不同的衰减 • 经信道传输后的信号 • 信号经过新道传输后 So(f) = Si(f)*H(f),信道可视为一种滤波器 • 信号频谱在信道频谱范围内，才能通过信道，频谱外的信号被衰减 s(t) S(f) t s(t) S(f) t f 离散频谱 f 连续频谱 带通信道 低通信道 H(f) f(Hz) f(Hz) f0 3400Hz 0 信道 So Si 电子科大通信学院

  7. Basic Theory • 数字数据与模拟数据 • 数据：信息的物理实体形式 • 模拟数据：值是连续变化的数据 • 声音 • 数字数据：值是离散的数据－二进制比特流 y x 0110100101001011101 电子科大通信学院

  8. Basic Theory • 数字信号与模拟信号—信号是数据的电子或电磁形态 • 模拟信号：连续变化的电信号（电流、电压、电磁波） • 数字信号：非连续变化的电信号，离散的脉冲式信号 v t v t 电子科大通信学院

  9. 调制 编码 • 数字数据——编码为数字信号——数字传输 • 数字数据——调制为模拟信号（MODEM）——模拟传输 • 模拟数据——编码为数字信号（CODEC）——数字传输 • 模拟数据——调制为模拟信号——模拟传输 Basic Theory 数据的传输方式 信息的电磁形态 信息的物理实体 模拟数据 模拟信号——模拟传输 数字数据 数字信号——数字传输 电子科大通信学院

  10. Basic Theory • 数字数据在线路上的传送方式 • 基带方式或载波方式。 • 基带方式 • 直接让数字信息“1”和“0”对应适当电位 • 载波方式，也称频带方式 • 将数字信息“1”和“0”分别对应不同的频率、或对应不同的幅度、或对应不同的相位 • 常用的载波调制有：FSK、ASK、PSK等 电子科大通信学院

  11. Basic Theory • 基带传输 • 应用环境 • 距离较短，介质质量较高－－以太网 • 光纤 • 关键技术 • 编码与解码 • 信号的变化频率和数据的传输速率基本相当－－基带 • 尽量在有限的信号变化次数里编入（承载）更多的数据 • 二进制不归零码、曼彻斯特编码、4B/5B、8B/6T…… 电子科大通信学院

  12. Basic Theory • 数字传输编码示例－曼彻斯特编码 • 每位中点时刻 ↑表示0，↓表示1 电子科大通信学院

  13. 数字传输 • 模拟信号传输数字数据－－频带传输（载波方式） • 应用环境 • 电信号、较长距离、介质质量不好 • 与原有模拟传输系统兼容－－Cable Modem －ADSL • 无线通信 • 关键技术 • 调制与解调 • 在频率较高的信号上调制传输速率较低的数据 • 尽量在有限带宽的信号里调制上（承载）更多的数据 • 幅移键控、频移键控、相移键控…… 电子科大通信学院

  14. Basic Theory • 频带传输 • 数字信号调制到某个频率的余弦波上进行传输 01100100 调幅信号 A1 A0 01100100 调频信号 01100100 调相信号 电子科大通信学院

  15. Basic Theory 实际应用中常用的信号调制QAM • 数据流分2路并在相位相差90度的正交载波独立幅度调制。 • 传输的信号集可以用星座图表示，星座图上每一个星座点对应信号集中的一点。 • 数字通信中数据常采用二进制数表示，这种情况下星座点的个数一般是2的幂。常见的QAM形式有16-QAM、64-QAM、256-QAM等。 • 星座点数越多，每个符号能传输的信息量就越大。 电子科大通信学院

  16. Basic Theory • QPSK(Quadrature Phase Keying) • 与4QAM效果一样 • 在星座图上有四点,以原点为中心, 构成一个正方形，星座图上四点到原点的距离相同,所以载波的振幅没有改变,只改变了相位。 • 由于星座图上只有四个点,即有四种可能调变的状况,每种状况可用两个数据位来代表。 电子科大通信学院

  17. Basic Theory • 无噪声有限带宽信道的最大传输速率 • 由H.Nyquiest 定理 确定 • 有噪声有限带宽信道的最大传输速率 • 由Shannon定理确定 电子科大通信学院

  18. Basic Theory 无噪带限信道的最大传输速率 • 根据H.Nyquiest 定理知： • 无噪带限信道的最大传输速率U0max U0max=2Hlog2V 式中：H：信道带宽(Hz)，V：信号电平级数 例：信号带宽H为3KHz，V=2（二进制，2级） 则 U0max=2×3000log22=6000bit/s 可见：在无噪带限信道上，提高编码效率（一个码元携带更多的bit），可以提高传输速率 电子科大通信学院

  19. 有噪带限信道的最大传输速率 Basic Theory • 根据Shannon定理知： • 有噪带限信道的最大传输速率U0max U0max=H log2（1+S/N） 式中：H 信道带宽， S 信号平均功率、 N 噪声平均功率 S/ N 信噪比 ：通常用分贝（dB）表示 （ 如：S/N=100，表示为10lg100=20dB） 例：H=3KHz，S/N=30dB（即S/N=1000） 则 U0max=H log2（1+S/N） =3000× log2（1+1000）= 30kbps 可见：在有噪带限信道上，所能达到的最大速率 与一个 码元携带多少数据位数无关，即与编码效率无关 只与带宽和信噪比有关 电子科大通信学院

  20. The Physical Layer Agenda • Basic Theory • Transmission Parameters • Transmission Media • Transmission scheme • Physical Interfaces • Appendix • Summary 电子科大通信学院

  21. Transmission Parameters 码元速率(波特率) • 也称波形速率 或符号速率 或波特率，单位时间传送的码元数（符号数），单位： Baud（波特 ） • 码元速率 U=1/T(T为码元宽度或码元重复周期) 传输速率U0 • 也称位速率或比特率，单位时间传送的比特数。 单位： bit/s 或bps 注意：一个符号（码元）可以承载n个bit位(n>=1) 即：当码元状态数V为2的整数次幂(V=2n)时： U0=Ulog2V =U*n ★ 电子科大通信学院

  22. Transmission Parameters • Data Rate (bit rate) • Channel Data Rate (信道数据率) • Effective Data Rate (有效数据率） • 1Kbps ＝ 103bps，1Mbps=106bps, 1Gbps=109bps • bps (bits per second) • 注意：传输速率与计算机内存容量表示的细微差别 • 容量：1KB =210B, 1MB=220B, 1GB=230B (B=Byte) N bits total time time Tb Time used (T) Effective Data Rate Reff=N/T Channel Data Rate R=1/Tb 电子科大通信学院

  23. Transmission Parameters • Transmission daly （传输时延）Tt • 将N bit送上信道所需的时间 • 若传输速率为R b/s • 则 Tt= N/R = N*Tb 10M b/s信道 time 10000 bits 1ms 100 k b/s信道 time 1ms 10M b/s的以太网、100k b/s的信道上，将10000bit的数据送上信道，分别需要 10000/10*106 = 10-3 (s) = 1 (ms) 10000/100*103 = 0.1(s) = 100 (ms) 电子科大通信学院

  24. Transmission Parameters • Transmission delay (传播延迟) • 信号在信道上传播的时间 • 设信道长度为D米，信号传播的速度为V，信号传播时间 • Td = D/V • 信号(电磁波)传播速度：真空中光速 c=3*108 米/秒 • 注：铜线、铜轴电缆中，V略小于光速 (2.3*108m/s)； • 光在石英光纤中的传播速度是2.0*108m/s 例： 大楼间敷设的电缆为230米，传输延迟为 T1d=230/2.3*108=10-6s＝1us 跨洋海底光缆4000公里，传输延迟为 T2d=3000*103/2*108=2*10-2s=20ms 电子科大通信学院

  25. 讨论：Tt和Td的相互作用 • 若10000bit的数据(b[n],n=1~10000)经速率为R=1M b/s、长度D=200公里的信道传输 • 发送b[i]时，对方接收b[k]，k=1时，i=？ • 从发送b[1]到对方接收b[10000]需要多少时间？ • 做出如下调整 • 当R为何值时，发送b[10000]时，对方刚开始接收b[1] • 当D为何值时，发送b[10000]时，对方刚开始接收b[1] D 图解法计算 Td 发送方 R Tt Nbit 接收方 电子科大通信学院

  26. Transmission Parameters 时延带宽积=传播时延×带宽 • 可以将链路想向为一个管道：带宽相当于截面面积，传播时延相当于管道长度，时延带宽积就是链路管道的容积。 • 它限定了发送方所发送的第1个比特到达接受发之前，发送方所能发送的比特数量的上限。 传播时延 带宽 链路 电子科大通信学院

  27. Transmission Parameters 误码率 • 误码用误码率来表征，它指在一定统计时间内，数字信号在传输过程中发生错误的位数与传输的总位数之比。 比如： 0100011101的误码率：0.1 • 关于误码的处理，我们将在第三章数据链路层介绍相关的检错和纠错技术 电子科大通信学院

  28. Transmission Parameters • Bit Error Rate （BER） • 由于干扰(人为电磁、背景噪声、宇宙噪声等)，造成01或10的错误 • BER＝错误的bit数/总bit数(或bit出错的概率) • 无线信道：10-1～10-3, 2.4GHz频段：5*10-5 • 电话信道：10-5～10-6,以太网(UTP5)：10-7 • 光纤：10-8～10-10 随机误码：均匀随机分布在整个bit流中 (背景干扰、宇宙噪声等) 01000111011101010101011010001101111101010111101010110101010100001010101 突发误码：突然出现的一串高误码，有一定的长度(突发长度) 01000111011101010101011010001101111101010111101010110101010100001010101 突发长度 电子科大通信学院

  29. The Physical Layer Agenda • Basic Theory • Transmission Parameters • Transmission Media • Transmission scheme • Transmission System • Physical Interfaces • Appendix • Summary 电子科大通信学院

  30. Transmission Media • 传输介质(Media)在层次模型之外 Link Link Phy Phy Media Logical Media SDH Transmission system media Physical Media 电子科大通信学院

  31. Transmission Media • 磁介质 (现包括Flash) • 略 • 双绞线 (Twisted Pair) • 抗电磁干扰能力好 • 常见于电话线 • 100 kb/s 几公里 • 以太网应用：基带传输、质量要求高、非屏蔽双绞线 • 3类双绞线：UTP3，10M以太网 • 5类双绞线：UTP5，100M以太网 • 以太网标准规定使用距离不大于100米，以保证传输质量 V+ s(t) s(t) V- s(t)=V+-V- 电子科大通信学院

  32. Transmission Media • 同轴电缆(Coax) • 屏蔽性能好，衰减小，几十公里 • 基带电缆：特征阻抗50欧，基带数字传输 • 宽带电缆：特征阻抗75欧，模拟(电视)，频带传输 • 光纤 • 材质：塑料光纤、玻璃光纤 • 光源：普通光(LED)，激光 • 光谱：0.85um，1.3um，1.55um • 传输模式：多模(多路径光)、单模(单路径光) • 数据速率：广泛使用25G，40G • 传输距离：几公里(0.85)，上百公里(1.3,1.55) 电子科大通信学院

  33. Transmission Media • 光纤 • 光纤彻底改写了长距离高速率传输的历史 • 过去：长距离传输是低速、高误码率的代名词 • 现在：长距离传输的速率、质量均超过短距离铜线 • 长距离~大传播延迟特性不会改变 电子科大通信学院

  34. 2 1 1` 光纤通信原理—平面波的反射和折射 Transmission Media • 反射： 1=1` • 折射： n 1 sin 1 =n 2 sin2 • 全反射： sin 1 >= n 2 / n 1 n 2 n 1 电子科大通信学院

  35. 高次模 基模 低次模 光纤通信原理—光纤的传播模式 Transmission Media • 在光纤的数值 孔径角内，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤的纤芯到包层界面上形成全反射的传播光线就可称为一个光的传输模式。 电子科大通信学院

  36. 光纤 光源 光检测器 Transmission Media 光纤通信原理—光纤通信系统的构成 • 无源部件 • 光纤，光缆（内封单纤或多纤），耦合器、波分复用器 • 有源器件 • 光发射器（光源），光接收器（光检测器） 电子科大通信学院

  37. First Window (850 nm) Second Window (1300/1310 nm) Third Window (~1550 nm) 4 Fourth Window (~1625 nm) 3 光纤损耗 (dB/km) 2 1 0 800 1200 1600 波长 (nm) Transmission Media • 石英光纤存在多个低损耗传输窗口 • 主要窗口有3个： 850nm、1310nm、1550nm 电子科大通信学院

  38. Detector Source SMF MMF Detector Source single light path multiple light paths Transmission Media • 光纤分为多模与单模两种类型 • 单模光纤 • SMF：Singer Mode Fiber • 光在光纤中以单一路径、或单模式传播 • 多模光纤 • MMF：Multiple Mode Fiber • 光在光纤中以多条路径、或多模式传播 电子科大通信学院

  39. Transmission Media • 多模光纤特点 • 传输距离短：300m~5km • 容量不太高 • 通常为100~1000Mb/s，10G系统需用特殊的万兆光纤 • 系统价格低：光纤略贵，但光收发器价格低 • 短距离系统价格尤其低 • 单模光纤特点 • 传输距离长：10~40km，300km • 系统价格高：光纤价格略低，但光收发器价很高 • 长距离系统结构相对并不太高 • 传输容量高 • 单波可达40Gb/s，使用DWDM技术可达几十Tb/s 电子科大通信学院

  40. Transmission Media 34    34      3 4 衍射光栅型 滤波器型 1 2 3 4 。 。 。  34     3 34 4 耦合器型 阵列波导光栅型 电子科大通信学院

  41. Transmission Media • 无线传输 (wireless) • 电磁波谱LF(长波)，MF(中波)，HF(短波)，VHF/UHF(超短波)，SHF/EHF(微波)，THF，红外、激光 • 频带宽度：可用中心频率正负10%简单计算 • LF：105*20% = 2*104 =20 kHz • 传播： • LF：绕射能力极强，传播距离远，带宽太窄 • HF：可通过电离层反射达到远距离传输的目的 • VHF以上：视距(直线)传播 • SHF以上：可用天线很好聚焦,减轻衰减(信噪比高) • 红外：短距离通信 • 激光：有无线光纤称呼，但易受太阳光影响 电子科大通信学院

  42. Transmission Media • 卫星 • 类型 • LEO：低轨卫星 几百公里，如：800公里 • MEO：中轨卫星 15000公里 • GEO：地球同步卫星 35000公里 • 提供的信道带宽 • 几十到几千兆Hz • 往返传播延迟 • 自行估计：LEO、MEO、GEO各在什么范围？ 请现在就计算，请写上学号和姓名，课间休息时交到讲台。 电子科大通信学院

  43. The Physical Layer Agenda • Basic Theory • Transmission Parameters • Transmission Media • Transmission scheme • Transmission System • Physical Interfaces • Appendix • Summary 电子科大通信学院

  44. Transmission Scheme • 串行、并行 • 全双工、半双工 • 同步、异步、块 电子科大通信学院

  45. Transmission Scheme • 并行传输 （Parallel Transmission) • 串行传输 （Serial Transmission） 特点：需多条传输线路，短距离使用 Byte Out Byte In 特点：仅需少量线路，应用广 传输惯例： Byte Out b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1 b0 发：低bit先出 b0 b1 b2 b3 b4 b5 b6 b7 收：低bit先入 Byte Out 电子科大通信学院

  46. Transmission Scheme • 全双工(FD, Full Duplex) • 半双工(HD, Half Duplex) • 单工 (Simplex） 发、收 并发动作 发 TxD 双向同时 收 RxD 双方需协调，否则会出现冲突 双向交替 TxD 发 RxD 收 单向传输 RxD TxD 电子科大通信学院

  47. Transmission Scheme • 同步传输(Synchronous Transmission) • Bit数据以均匀时间间隔T传输，持续不断 • 特点 • 可实现非常高的传输速率(几百兆~几十千兆) • 稳定的传输速率 • 需要独立的时钟线路保持双向收发同步 • 应用场合 • 与传输系统的连接 • PSTN中的数字信道、SDH • 讨论： • 某段时间内没有数据传输时，信道上是什么信号？ 同步传输信道 PSTN/SDH Data R T Clock 0011111111110000 Data clock 电子科大通信学院

  48. TDM—同步时分复用 TDM按帧结构（时长和时隙数固定）传送 每个用户分配固定时隙（在帧结构中占固定位置） 每个用户只能在自己的时隙内发送数据 当某用户无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，不能作为他用 可能造成线路资源的浪费 用户 同步时分复用 a a A t ① ② a b a c d b c b b B t ③ c c t #4 #3 #2 #1 C ④ d D t 四个时分复用帧 电子科大通信学院

  49. TDM－统计时分复用 STDM：Statistic TDM，统计时分复用或异步时分复用 每个用户不分配固定时隙，按需动态分配时隙 STDM按帧结构进行传送 按收到数据的先后顺序进行组帧 一个用户可以连续占用多个时隙 能显著提高信道的利用率 用户 统计时分复用 a a A t ① ② a b b c c d a b b B t ③ c c t C #3 #2 #1 ④ d D t 3个STDM帧 电子科大通信学院

  50. Transmission Scheme • 异步传输 (Asynchronous Transmission) • 字节为单位传输，字节间隔长度可变 • 特点 • 不需要专门的时钟线路 (所以称为“异步”) • 应用场合 • 计算机间的直接连接 • 低速、短距离传输(几百米~几公里) • 键盘、鼠标的传输方式 R T Byte Byte Byte 又称为起-止式传输 start stop 电子科大通信学院

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