第2章

物理層2.1物理層的基本概念2.2數據通信的基礎知識

2.2.1數據通信系統的模型

2.2.2有關信道的幾個基本概念

2.2.3信道的極限容量

2.2.4信道的極限信息傳輸速率2.3物理層下面的傳輸媒體

2.3.1導向傳輸媒體

2.3.2非導向傳輸媒體第2章

物理層（續）2.4信道復用技術

2.4.1頻分復用、時分復用和統計時分復用

2.4.2波分復用

2.4.3碼分復用2.5數字傳輸系統2.6寬帶接入技術

2.6.1xDSL技術

2.6.2光纖同軸混合網（HFC網）

2.6.3FTTx技術2.1物理層的基本概念

1.物理層要解決的問題物理層要解決的是如何利用物理傳輸媒體進行比特傳輸的問題。物理層要盡可能屏蔽掉物理設備、傳輸媒體和通信手段的不同，使上面的數據鏈路層感覺不到這些差異的存在。物理層應解決物理連接的建立、維持和釋放問題。101010102.物理層的接口特性物理層的主要任務為確定與傳輸媒體的接口有關的一些特性，即：⑴機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。⑵電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。⑶功能特性指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。⑷過程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。

9516RS-232-C標準RS-232-C標準是美國EIA(電子工業聯合會)與BELL等公司一起開發的1969年公布的通信協議。RS(RecommendedStandard)代表推薦標準。232是標識號，C代表最新一次修改(1969年)。RS-232-C標準RS-232-C標準基于數據終端設備DTE(DataTerminalEquipment)與數據通信設備DCE(DataCommunicationEquipment)制定的。由于通信設備廠商都生產與RS-232-C制式兼容的通信設備，因此，它作為一種標準，目前已在微機通信接口中廣泛采用。DTE/DCE與物理層的功能DTE——數據終端設備。DCE——數據通信設備。DCEDTEDTEDCEDCE接口101010109516物理層概念的理解物理層不是指物理設備或物理傳輸介質的性質。物理層是有關物理設備通過物理傳輸介質進行互連的描述與規定。物理層的作用就是透明地傳輸比特流，即屏蔽各種物理設備、傳輸介質及通信方式上的差異，使上層協議感覺不到這些差異，按照各層的功能協同完成網絡服務功能。物理層只關心比特流如何傳輸，而不關心比特流的含義，不關心傳輸差錯。例題

下列關于物理層的描述，不正確的是A.物理層向數據鏈路層提供比特流服務B.物理層應提供比特流傳輸的可靠性C.物理層的任務包括物理連接的建立、維護和釋放D.物理層要屏蔽傳輸介質、設備與通信技術的差異機械特性舉例RS-232-C可以直接用作DTE與DCE的物理連接。它規定采用DB25或DB9接插件，并對每根針的排列位置做了明確規定。132511495169針串行口（DB-9）25針串行口（DB-25）電氣特性舉例RS-232-C規定：對于數據（信息碼）：邏輯“1”(傳號)的電平低于-3V，邏輯“0”(空號)的電平高于+3V。RS-232-C規定：對于控制信號，接通狀態(ON)即信號有效的電平高于+3V，斷開狀態(OFF)即信號無效的電平低于-3V。功能特性舉例RS-232-C定義了DB9針串口引腳的定義。功能特性舉例引腳簡寫功能說明1CD載波偵測（CarrierDetect）2RXD接收數據（Receive）3TXD發送數據（Transmit）4DTR數據終端準備（DataTerminalReady）5GND地線（Ground）6DSR數據準備好（DataSetReady）7RTS請求發送（RequestToSend）8CTS清除發送（ClearToSend）9RI振鈴指示（RingIndicator）9針RS-232串口(DB9)引腳定義過程特性舉例RS-232-C規定了各條控制線在不同情況下接通(ON，邏輯0)和斷開(OFF，邏輯1)的順序。例如，當DTE-A要與DTE-B通信時，將DTR(20)置為ON，同時通過TD(2)向DCE-A發送電話號碼信號，請求與對方建立物理連接。DCE-B將RI(22)置為ON，通知DTE-B有呼叫到達。DTE-B將DTR(20)置為ON，DCE-B接著產生載波信號，并將DSR(6)置為ON，表示已準備好。例題串行通信接口標準RS-232-C描述：“RTS：當DTE需要向DCE發送數據時，該信號有效，請求DCE接受數據。”以上描述的是關于物理層的機械特性；電氣特性；功能特性；過程特性。2.2數據通信的基礎知識

2.2.1數據通信系統的模型

傳輸系統輸入信息輸入數據發送的信號接收的信號輸出數據源點終點發送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數據通信系統源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC機幾個術語數據(data)——運送消息的實體。信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現。“模擬的”(analogous)——代表消息的參數的取值是連續的。“數字的”(digital)——代表消息的參數的取值是離散的。碼元(code)——在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。模擬的和數字的數據、信號模擬數據模擬信號放大器調制器模擬數據數字信號

PCM編碼器數字數據模擬信號調制器數字數據數字信號

數字發送器2.2.2有關信號的幾個基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)。雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發送和接收信息。幾種通信方式的內部結構基帶(baseband)信號和

帶通(bandpass)信號基帶信號（即基本頻帶信號）——來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬于基帶信號。基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進行調制。(modulation)。帶通信號——把基帶信號經過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道）。

幾種最基本的調制方法基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調制(modulation)。最基本的二元制調制方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。

基帶數字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調幅將數字信號變為模擬信號載波的振幅隨基帶數字信號變化0對應于無載波輸出1對應于有載波輸出基帶數字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調頻將數字信號變為模擬信號載波的頻率隨基帶數字信號變化0對應于低頻1對應于高頻基帶數字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調相將數字信號變為模擬信號載波的初始相位隨基帶數字信號變化0對應于相位0度1對應于相位180度正交振幅調制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r(r,)可供選擇的相位有12種，而對于每一種相位有1或2種振幅可供選擇。由于4bit編碼共有16種不同的組合，因此這16個點中的每個點可對應于一種4bit的編碼。若每一個碼元可表示的比特數越多，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態就越困難。舉例2.2.3信道的極限容量任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。數字信號通過實際的信道有失真，但可識別失真大，無法識別實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發送信號波形接收信號波形發送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形信道能夠通過的頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。

(2)信噪比香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

香農公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。奈氏準則和香農公式

在數據通信系統中的作用范圍源系統傳輸系統目的系統傳輸系統源點終點發送器接收器輸入信息輸出信息輸入數據輸出數據發送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準則的限制信息傳輸速率受香農公式的限制請注意對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。2.3物理層下面的傳輸媒體無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛星地面微波

調幅無線電

調頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜2.3.1導向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜雙絞線銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP適用場合 ：室內（電話線）通信距離：幾到十幾公里（導線越粗）傳輸速度：幾Ｍbps的帶寬抗干擾能力：較好價格：便宜同軸電纜外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體類別：50(基帶電纜)，75(寬帶電纜)適用場合 ：城域網、有線電視通信距離：幾到十幾公里（導線越粗）傳輸速度：高帶寬，可達１Ｇb/s(基帶、寬帶)抗干擾能力：好價格：較高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）包層纖芯光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射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光纖的特點傳輸帶寬很大。傳輸損耗小。抗雷電和電磁干擾性能好。無串音干擾，保密性好。體積小，重量輕。2.3.2非導向傳輸媒體無線傳輸所使用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛星通信

無線電地面微波接力衛星通信例題對于傳輸帶寬較大的高速局域網，為了獲得更高的性能，應選用的傳輸介質是雙絞線同軸電纜光纖微波共享信道2.4信道復用技術

2.4.1頻分復用/時分復用/統計時分復用

復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)

用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用可能會造成

線路資源的浪費ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。統計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統計時分復用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分復用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調制器光解調器2.4.3碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)常用的名詞是碼分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。如發送比特1，則發送自己的mbit碼片序列。如發送比特0，則發送該碼片的二進制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發送比特1時，就發送序列00011011，發送比特0時，就發送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特點每個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)。在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。碼片序列的正交關系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化內積(innerproduct)都是0：(2-3)碼片序列的正交關系舉例令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是–1。正交關系的另一個重要特性CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發送的信號SxT站發送的信號Tx總的發送信號Sx+Tx規格化內積S

Sx規格化內積S

Tx數據碼元比特發送端接收端例題

共有四個站進行碼分多址CDMA通信。四個站的碼片序列分別是

A:(-1-1-1+1+1-1+1+1)B:(-1-1+1-1+1+1+1-1)

C:(-1+1-1+1+1+1-1-1)D:(-1+1-1-1-1-1+1-1)

現收到碼片序列(-1+1-3+1-1-3+1+1)。問哪幾個站發送數據了？發送數據的站發送的是1還是0？

2.5數字傳輸系統

1.脈碼調制PCM體制脈碼調制PCM體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。由于歷史上的原因，PCM有兩個互不兼容的國際標準，即北美的24路PCM（簡稱為T1）和歐洲的30路PCM（簡稱為E1）。我國采用的是歐洲的E1標準。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。當需要有更高的數據率時，可采用復用的方法。

2.同步光纖網SONET和

同步數字系列SDH

舊的數字傳輸系統存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：速率標準不統一。如果不對高次群的數字傳輸速率進行標準化，國際范圍的高速數據傳輸就很難實現。

不是同步傳輸。在過去相當長的時間，為了節約經費，各國的數字網主要是采用準同步方式。

同步光纖網SONET同步光纖網

SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。第1級同步傳送信號

STS-1(SynchronousTransportSignal)的傳輸速率是51.84Mb/s。光信號則稱為第1級光載波

OC-1，OC表示OpticalCarrier。

同步數字系列SDH

ITU-T以美國標準SONET為基礎，制訂出國際標準同步數字系列

SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可認為SDH與SONET是同義詞。SDH的基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級同步傳遞模塊

(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相當于SONET體系中的OC-3速率。線路速率(Mb/s)SONET符號ITU-T符號表示線路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120

OC-768/STS-768

STM-256

40Gb/s

SONET的OC級/STS級與SDH的STM級的對應關系SONET的體系結構

光子層路徑層線路層段層線路(line)光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復用器或分用器復用器或分用器轉發器轉發器段段段路徑(path)(section)(section)(section)SONET標準定義了四個光接口層

光子層(PhotonicLayer)處理跨越光纜的比特傳送。段層(SectionLayer)在光纜上傳送STS-N幀。線路層(LineLayer)負責路徑層的同步和復用。路徑層(PathLayer)處理路徑端接設備PTE(PathTerminatingElement)之間的業務的傳輸。

2.6寬帶接入技術

2.6.1xDSL技術xDSL技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。雖然標準模擬電話信號的頻帶被限制在300~3400Hz的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過1MHz。頻譜頻率傳統電話04(kHz)~40~138~11002.6.1xDSL技術xDSL技術就把0~4kHz低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。DSL就是數字用戶線(DigitalSubscriberLine)的縮寫。而DSL的前綴x則表示在數字用戶線上實現的不同寬帶方案。

頻譜頻率傳統電話04(kHz)~40~138~1100用戶上網xDSL的幾種類型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非對稱數字用戶線。HDSL(HighspeedDSL)：高速數字用戶線。SDSL(Single-lineDSL)：1對線的數字用戶線。VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速數字用戶線。DSL：ISDN用戶線。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自適應。DSL，是ADSL的一個子集，可自動調節線路速率）。

ADSL的極限傳輸距離ADSL的極限傳輸距離與數據率和用戶線的線徑有關（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大）。例如，0.5毫米線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時可傳送5.5公里，但當傳輸速率提高到6.1Mb/s時，傳輸距離縮短為3.7公里。如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里ADSL的最高傳輸速率ADSL的最高傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。ADSL不能保證固定的數據率。對質量很差的用戶無法開通ADSL。ADSL的特點上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調制解調器。我國目前采用的方案是離散多音調DMT(DiscreteMulti-Tone)調制技術。這里的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT技術DMT調制技術采用頻分復用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。每個子信道占據4kHz帶寬（嚴格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調制。這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調制解調器并行地傳送數據。DMT技術的頻譜分布…頻譜頻率上行信道傳統電話04下行信道…(kHz)~40~138~1100高速下行數據流中速雙工數據流電話數據思考題通信線路上通常都是串行傳輸。怎樣理解ADSL的并行傳輸數據？ADSL的基本原理電話網因特網低通濾波器高通濾波器電信公司2.6.2光纖同軸混合網

HFC(HybridFiberCoax)HFC網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網CATV的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。HFC網除可傳送CATV外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。現有的CATV網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它采用模擬技術的頻分復用對電視節目進行單向傳輸。而HFC網則需要對CATV網進行改造。

HFC實現“三網合一”用戶環路……CMCMTS光纖節點50~1000MHz5~42MHzNIUNIUNIU模擬光纖PSTNTV網InternetSTBHFC的主要特點

(1)HFC網的主干線路采用光纖HFC網將原CATV網中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術。在模擬光纖中采用光的振幅調制AM，這比使用數字光纖更為經濟。模擬光纖從頭端連接到光纖結點(fibernode)，即光分配結點ODN(OpticalDistributionNode)。在光纖結點光信號被轉換為電信號。在光纖結點以下就是同軸電纜。

(2)HFC網采用結點體系結構

同軸電纜頭端模擬光纖放大器引入線分路器光纖結點服務區服務區服務區(3)HFC網具有比CATV網

更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能

下行信道上行信道54050550