通信子網(wǎng)的物理層第一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三第三章通信子網(wǎng)的物理層3.1物理層概述 3.2物理層比特流傳輸模式 3.3通信介質(zhì) 3.4傳輸信道 3.5傳輸編碼 3.6典型物理層協(xié)議 第二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.1物理層概述實(shí)現(xiàn)通信子網(wǎng)的第一項(xiàng)任務(wù)—結(jié)點(diǎn)的連通。基本功能:在一條物理傳輸媒體上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間透明地傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流。通過(guò)某種物理特征（比如電壓或者電流）的變化，可以在線路上傳輸信息。第三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.1物理層概述主要任務(wù)：確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機(jī)械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。規(guī)程特性指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

第四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三EIA-232/V.24的信號(hào)定義(1)保護(hù)地(2)發(fā)送數(shù)據(jù)(3)接收數(shù)據(jù)(4)請(qǐng)求發(fā)送(5)允許發(fā)送(6)DCE就緒(7)信號(hào)地(8)載波檢測(cè)(20)DTE就緒(22)振鈴指示DTEDCE計(jì)算機(jī)或終端調(diào)制解調(diào)器第五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三圖ISO標(biāo)準(zhǔn)化的五種連接器規(guī)格(a)9針;(b)15針;(c)25針;(d)37針;(e)34針第六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三常用的電氣特征標(biāo)準(zhǔn)——接口電平的物理意義第七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.1概述——物理層的服務(wù)1）物理連接的建立、維持與釋放2）物理服務(wù)數(shù)據(jù)單元的傳輸3）物理層管理4）數(shù)據(jù)編碼——將數(shù)據(jù)變成比特流`第八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.2物理層比特流傳輸模式串行和并行傳輸并行傳輸：如計(jì)算機(jī)與外圍設(shè)備，不適宜長(zhǎng)距離的連接第九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.2物理層比特流傳輸模式串行通信的方法：異步和同步傳輸異步：基于字節(jié)的輸入輸出空閑線路攜帶信號(hào)“1”，開始位使信號(hào)變?yōu)椤?”通常用于低速設(shè)備。開銷比較大第十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三同步傳輸和異步傳輸同步傳輸?shù)谋忍胤纸M大的多，不是每個(gè)字符都有自己的開始位和停止位?！獢?shù)據(jù)塊。數(shù)據(jù)塊的第一部分包含同步字符SYN——一個(gè)特殊的比特組合；控制位（源，目的地址，塊長(zhǎng)度等）同步傳輸比異步傳輸快的多第十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.2物理層比特流傳輸模式同步傳輸：傳輸?shù)姆纸M大的多，速度也快的多數(shù)據(jù)塊的組織方式隨協(xié)議而定第十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.2物理層比特流傳輸模式單工、半雙工和全雙工通信第十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.3通信介質(zhì)介質(zhì)特性：1）吞吐量和帶寬給定時(shí)間段內(nèi)介質(zhì)能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量介質(zhì)能傳輸?shù)淖罡哳l率和最低頻率之間的差值2）成本3）尺寸和可擴(kuò)展性：限制時(shí)延與衰減4）連接器：RJ45，BNC，光接口等5）抗噪性第十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三帶寬所有的傳輸設(shè)施子在傳輸過(guò)程中都要損失一些能量——衰減傳輸過(guò)程中振幅不會(huì)明顯減弱的這一段頻率范圍稱為帶寬。變化快，組成介質(zhì)的物質(zhì)粒子運(yùn)動(dòng)速度快，損耗多。衰減增加變化過(guò)慢也不能通過(guò)帶寬是傳輸介質(zhì)的一種物理特征，通常取決于介質(zhì)的材料構(gòu)成、厚度和長(zhǎng)度。第十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三光導(dǎo)纖維第十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三光線在光纖中的折射折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯發(fā)射裝置：發(fā)光二極管或者半導(dǎo)體激光接收器：光敏元件（檢測(cè)光脈沖）習(xí)慣上一個(gè)光脈沖表示“1”，沒(méi)有光表示“0”第十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三光導(dǎo)纖維任何入射角度大于臨界值的光束都會(huì)在內(nèi)部反射，所以許多不同的光束可以再不同的反射角傳播。——每一束光都有不同的模式——多模光纖。光纖的直徑減小到幾個(gè)光波波長(zhǎng)的時(shí)候——光纖如同一個(gè)波導(dǎo)，直線傳輸——單模光纖。（100KM)第十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖第十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三光導(dǎo)纖維更高的帶寬，幾乎無(wú)限的吞吐量（可以以每秒10GB的速度可靠的傳輸數(shù)據(jù)），非常高的抗噪性以及極好的安全性、光通過(guò)玻璃的衰減取決于光的波長(zhǎng)缺點(diǎn)：斷裂連接非常困難，技術(shù)要求高，成本高。第二十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.4傳輸信道物理信道，邏輯信道。邏輯信道是被分配用來(lái)傳輸一路信息的通路，它是對(duì)物理信道的分割，是抽象的。第二十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.4傳輸信道---信道的帶寬物理信道能夠允許順利通過(guò)的最大的連續(xù)頻率范圍稱作這個(gè)信道的帶寬。信道帶寬的客觀存在表明信道只能用來(lái)傳輸信號(hào)的帶寬小于信道帶寬的那些信號(hào)。第二十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率工程師奈奎斯特意識(shí)到：即使是一條理想的信道，它的傳輸能力也是有限的。對(duì)于數(shù)字信道而言，一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元，我們用碼元速率表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。第二十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碼元速率與信息速率碼元是一種數(shù)字脈沖，我們用它來(lái)攜帶數(shù)據(jù)，一個(gè)碼元可以攜帶1個(gè)或多個(gè)數(shù)據(jù).比如一個(gè)脈沖可以取3V、0V兩個(gè)值，那么它可以攜帶1比特的信息（0或者1，假設(shè)用0V表示0，用3V表示1），若碼元可取4種離散值，則一個(gè)碼元就可攜帶2比特信息。第二十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.4傳輸信道第二十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三信道的最大數(shù)據(jù)傳輸率奈奎斯特有限帶寬無(wú)噪聲信道的極限波特率B:數(shù)字信道帶寬。公式：最高碼元速率為2B波特（Baud）最大傳輸速率=2Blog2KK為碼元所能取的離散值的個(gè)數(shù)。第二十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碼元速率與數(shù)據(jù)傳輸速率波特率和數(shù)據(jù)速率是不同的兩個(gè)概念單位時(shí)間內(nèi)在信道上傳送的信息量（比特?cái)?shù)）稱為數(shù)據(jù)速率。當(dāng)碼元取兩個(gè)離散值時(shí)兩者的值相等即二進(jìn)制下而這相同香農(nóng)把它拓展到帶隨機(jī)噪聲的信道。最大傳輸速率=2Blog2（1+S/N)。S:信號(hào)功率N：噪聲功率第二十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碼元速率與數(shù)據(jù)傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)，單位bps比特每秒。碼元傳輸速率：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)傳送的碼元（即脈沖）數(shù)，單位Baud波特。第二十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三信道多路復(fù)用技術(shù)信號(hào)分割原理：對(duì)在線性信道上傳輸?shù)亩嗦窂?fù)用信號(hào)實(shí)現(xiàn)有效分割的充分必要條件是各路信號(hào)應(yīng)相互線性無(wú)關(guān)(線性獨(dú)立)。線性無(wú)關(guān)信號(hào)就是我們這里所說(shuō)的有差別的信號(hào)，就可以實(shí)現(xiàn)分割。第二十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三多路復(fù)用種類頻分復(fù)用FDM波分復(fù)用WDM時(shí)分復(fù)用TDM碼分復(fù)用CDMA第三十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三頻分多路復(fù)用原理：當(dāng)傳輸媒體的有效帶寬大于多個(gè)被傳輸信號(hào)所要求的帶寬，可將媒體帶寬內(nèi)的可用頻帶分成若干互不交疊的頻段，每個(gè)這樣的頻段被用來(lái)傳送一路信號(hào)，即每路信號(hào)占據(jù)其中一個(gè)頻段，在這個(gè)同一物理線路的帶寬內(nèi)的多個(gè)相互隔離的頻段上同時(shí)傳送多路信號(hào)。第三十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三頻分復(fù)用頻率時(shí)間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5第三十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三低通低通調(diào)制帶通調(diào)制帶通合成物理信道帶通帶通解調(diào)解調(diào)低通低通頻分多路復(fù)用第三十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三頻分多路復(fù)用模擬傳輸系統(tǒng):長(zhǎng)途干線最初采用頻分復(fù)用FDM的傳輸方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)目前我國(guó)長(zhǎng)途通信線路已實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，因而現(xiàn)在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機(jī)到市話交換機(jī)之間的這一段幾公里長(zhǎng)的用戶線上。第三十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三時(shí)分多路復(fù)用(現(xiàn)在主流)原理：當(dāng)傳輸媒體能夠達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸率即物理信道容量大于多個(gè)被傳信號(hào)的數(shù)據(jù)傳輸率時(shí)，可將傳輸時(shí)間劃分成等量的時(shí)間片，多個(gè)信號(hào)交錯(cuò)輪流占據(jù)不同時(shí)間片，每路信號(hào)通過(guò)周期交錯(cuò)連續(xù)的時(shí)間片傳輸，實(shí)現(xiàn)在同一時(shí)段（由多個(gè)時(shí)間片組成）內(nèi)傳送多路信號(hào)。第三十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三時(shí)分多路復(fù)用第三十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成

線路資源的浪費(fèi)ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶第三十七頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

STDM用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用第三十八頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三波分復(fù)用整個(gè)波長(zhǎng)頻帶被劃分為若干個(gè)波長(zhǎng)范圍，每路信號(hào)占用一個(gè)波長(zhǎng)范圍來(lái)進(jìn)行傳輸。它是利用這段頻率電磁波所具有的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行信號(hào)的分解與合成的。激光器（λ1）激光器（λn）合光器∑分光器光檢器（λ1）光檢器（λn）第三十九頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km波分復(fù)用第四十頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碼分多路復(fù)用(無(wú)線主流)常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。在CDMA系統(tǒng)中，各發(fā)送端用各不相干的，相互(準(zhǔn))正交的地址碼調(diào)制其所發(fā)送的信號(hào)，在接收端利用碼型的(準(zhǔn))正交性，通過(guò)地址識(shí)別(相關(guān)檢測(cè))從混合信號(hào)中選出相應(yīng)信號(hào)。

第四十一頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三CDMA與WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA目前3G的移動(dòng)通訊標(biāo)準(zhǔn)有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。CDMA2000是在CDMA框架下的一個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展階段WCDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess)寬帶碼分多址：國(guó)際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)聯(lián)通SCDMA是同步碼分多址的無(wú)線接入技術(shù)：全新的我國(guó)擁有完整自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。第四十二頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碼片序列(chipsequence)每個(gè)站被指派一個(gè)惟一的mbit碼片序列。如發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的mbit碼片序列。如發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011，發(fā)送比特0時(shí)，就發(fā)送序列11100100。第四十三頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三CDMA的重要特點(diǎn)每個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。第四十四頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三碼片序列的正交關(guān)系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個(gè)不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積(innerproduct)都是0：第四十五頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個(gè)碼片tS站發(fā)送的信號(hào)SxT站發(fā)送的信號(hào)Tx總的發(fā)送信號(hào)Sx+Tx規(guī)格化內(nèi)積S

Sx規(guī)格化內(nèi)積S

Tx數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端第四十六頁(yè)，共五十頁(yè)，編輯于2023年，星期三3.5傳輸編碼對(duì)于模擬形式的信息，從采樣到得到離散的整數(shù)序列的整個(gè)過(guò)程稱作脈沖編碼調(diào)制（PCM）。時(shí)間連續(xù)模