第4章物理層/u/lilang科學(xué)網(wǎng)李浪第4章物理層http://blog.sciencenet1第4章物理層4.1物理層的定義和功能4.2物理層的特性4.3典型的物理層標(biāo)準(zhǔn)接口4.4傳輸媒體4.5寬帶接入技術(shù)第4章物理層4.1物理層的定義和功能24.1物理層的定義和功能物理層位于通信模型的最底層，它直接面向?qū)嶋H承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢砻襟w。但是，物理層不是指具體的物理設(shè)備，也不是指信號(hào)傳輸?shù)奈锢砻襟w，而是指在物理媒體之上為上一層（數(shù)據(jù)鏈路層）提供一個(gè)傳輸原始比特流的物理連接。物理層協(xié)議規(guī)定了與建立、維持及斷開物理信道所需的機(jī)械的、電氣的、功能性的和規(guī)程性的特性。其作用是確保比特流能在物理信道上傳輸。4.1物理層的定義和功能物理層位于通信模型的最底層，它直34.2物理層的特性物理層協(xié)議解決的問(wèn)題為確定與傳輸媒體的接口有關(guān)一些特性，主要包括四個(gè)方面：1.機(jī)械特性：定義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。2.電氣特性：定義接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓范圍。3.功能特性：定義接口信號(hào)的引腳的功能分配和確切的定義，某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。4.規(guī)程特性：定義不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。4.2物理層的特性物理層協(xié)議解決的問(wèn)題為確定與傳輸媒體的44.3典型的物理層標(biāo)準(zhǔn)接口DTE設(shè)備與DCE設(shè)備數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DataTerminalEquipment，DTE）是具有一定數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)發(fā)送接收能力的設(shè)備，包括各種I/O設(shè)備和計(jì)算機(jī)。由于大多數(shù)的數(shù)據(jù)處理設(shè)備的傳輸能力有限，直接將相距很遠(yuǎn)的兩個(gè)數(shù)據(jù)處理設(shè)備連接起來(lái)是不能進(jìn)行通信的，所以要在數(shù)據(jù)處理設(shè)備和傳輸線路之間加上一個(gè)中間設(shè)備，即數(shù)據(jù)線路端接設(shè)備（DataCircuit-terminatingEquipment，DCE）。DCE在DTE和傳輸線路之間提供信號(hào)變換和編碼的功能。4.3典型的物理層標(biāo)準(zhǔn)接口DTE設(shè)備與DCE設(shè)備5

EIARS-232-C

EIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其中EIA(ElectronicIndustryAssociation)代表美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)，RS（recommededstandard）代表推薦標(biāo)準(zhǔn)，232是標(biāo)識(shí)號(hào)，C代表RS232的最近一次修改（1969年）。EIARS-232-CEIA-RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，其6RS-232-C接口特性1、電氣特性采用負(fù)邏輯電平。用-15V～-5V表示邏輯“1”電平，用+5V～+15V表示邏輯“0”電平。當(dāng)連接電纜長(zhǎng)度不超過(guò)15m時(shí)，允許數(shù)據(jù)傳輸速率不超過(guò)20kb/s。RS-232-C接口特性1、電氣特性7RS-232-C接口特性2、機(jī)械特性RS-232采用標(biāo)準(zhǔn)25芯D型插頭座（DB25），分為上排13根引腳、下排12根引腳。后來(lái)簡(jiǎn)化為9芯D型插座，供計(jì)算機(jī)與調(diào)制解調(diào)器的連接使用，如計(jì)算機(jī)的COM接口。規(guī)定插頭應(yīng)安裝在DTE設(shè)備端，插座應(yīng)安裝在DCE設(shè)備端。RS-232-C接口特性2、機(jī)械特性8RS-232-C接口特性3、功能特性功能特性規(guī)定了什么電路應(yīng)當(dāng)連接到引腳中的哪一根以及該引腳的作用。RS-232-C接口特性3、功能特性9表4-2RS-232接口信號(hào)定義簡(jiǎn)寫符DTE25芯DCE25芯DTE9芯DCE9芯信號(hào)方向信號(hào)功能解釋PG11---保護(hù)地TXD2332DTE->DCE發(fā)送數(shù)據(jù)TransmitDataRXD3223DTE<-DCE接收數(shù)據(jù)ReceiveDataRTS4578DTE->DCE請(qǐng)求發(fā)送RequiretoSendCTS5487DTE<-DCE清除請(qǐng)求CleartoSendDSR62064DTE<-DCE數(shù)據(jù)裝置就緒DataSetReadyGND7755GND信號(hào)地GroundDCD8811In接收線信號(hào)檢測(cè)DataCarryDetectedDTR20646DTE->DCE數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好DataTerminalReadyRI222299In振鈴指示表4-2RS-232接口信號(hào)定義簡(jiǎn)寫符DTE25芯DCE10RS-232-C接口特性4、過(guò)程特性以終端通過(guò)Modem及電話線與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)中心主機(jī)以半雙工方式通信為例說(shuō)明RS-232通信過(guò)程。首先，當(dāng)終端接至線路上時(shí)，20號(hào)線(DTE就緒)為高電平(通狀態(tài))，表示通知Modem(DCE)要求與線路接通，Modem響應(yīng)，通過(guò)6號(hào)線(DCE就緒)發(fā)信號(hào)，以高電平回答，表示Modem(DCE)已準(zhǔn)備好，同時(shí)向遠(yuǎn)程Modem(遠(yuǎn)程DCE)發(fā)載波。以上屬于數(shù)據(jù)通信連接建立階段。接下來(lái)，若終端想發(fā)送數(shù)據(jù)，就使4號(hào)線(請(qǐng)求發(fā)送)處于通狀態(tài)，表示請(qǐng)求發(fā)送，并向?qū)Ψ桨l(fā)送載波。與終端連接的Modem收到發(fā)送請(qǐng)求，用5號(hào)線(允許發(fā)送)響應(yīng)，使其接通，表示準(zhǔn)備好發(fā)送，此時(shí)終端就可通過(guò)2號(hào)線(發(fā)送數(shù)據(jù))發(fā)送數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，對(duì)方Modem(遠(yuǎn)程DCE)收到載波后通過(guò)8號(hào)線(載波檢測(cè))向主機(jī)(遠(yuǎn)程DTE)發(fā)信號(hào)，表示已檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)載波，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)3號(hào)線(接收數(shù)據(jù))接收數(shù)據(jù)。以上屬于數(shù)據(jù)通信階段。最后，當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，4號(hào)線變成低電平(斷開狀態(tài))，5號(hào)線也隨之降低，恢復(fù)成原始狀態(tài)，數(shù)據(jù)通信連接斷開。RS-232-C接口特性4、過(guò)程特性11EIARS-449/422-A/423-A

RS-449有三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組成：1.RS-449規(guī)定接口的機(jī)械特性、功能特性和過(guò)程特性。RS-449的連接器使用37引腳及9引腳的連接器，2次通道（返回字通道）電路以外的所有相互連接的電路都使用37引腳的連接器，而2次通道電路則采用9引腳連接器。2.RS-423-A規(guī)定在采用非平衡傳輸時(shí)的電氣特性。當(dāng)連接電纜長(zhǎng)度為10M時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸速率可達(dá)300kb/s.3.RS-422-A規(guī)定在采用平衡傳輸時(shí)的電氣特性。它可將傳輸速率提高到2Mb/s,而連接電纜長(zhǎng)度可超過(guò)60m，當(dāng)連接電纜長(zhǎng)度更短時(shí)（如10m），則傳輸速率還可以更高些（如達(dá)10Mb/s）。EIARS-449/422-A/423-ARS-44912CCITTX.21與X.25

X.21是對(duì)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中的同步式終端（DTE）與線路終端（DCE）間接口的標(biāo)準(zhǔn)。主要是對(duì)兩個(gè)功能進(jìn)行了規(guī)定：其一是與其他接口一樣，對(duì)電氣特性、連接器形狀、相互連接電路的功能特性等的物理層進(jìn)行了規(guī)定；其二是為控制網(wǎng)絡(luò)交換功能的網(wǎng)控制步驟，定義了網(wǎng)絡(luò)層的功能。在專用線連接時(shí)只使用物理層功能，而在線路交換數(shù)據(jù)網(wǎng)中，則使用物理層和網(wǎng)絡(luò)層的兩個(gè)功能。X.21接口用的連接器引腳也只用15針引腳，電氣特性分別參照V系列接口電氣標(biāo)準(zhǔn)的V.10和V.11。數(shù)字網(wǎng)的同步都是從屬于網(wǎng)絡(luò)主時(shí)鐘。CCITTX.21與X.25X.21是對(duì)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)中的13CCITTX.21與X.25X．25是CCITT（ITU）建議的一種協(xié)議，它定義終端和計(jì)算機(jī)到分組交換網(wǎng)絡(luò)的連接。分組交換網(wǎng)絡(luò)在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上為數(shù)據(jù)分組選擇到達(dá)目的地的路由。X．25是一種很好實(shí)現(xiàn)的分組交換服務(wù)，用于將遠(yuǎn)程終端連接到主機(jī)系統(tǒng)的技術(shù)。這種服務(wù)為同時(shí)使用的用戶提供任意點(diǎn)對(duì)任意點(diǎn)的連接。來(lái)自一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)用戶的信號(hào)，可以通過(guò)多路選擇通過(guò)X．25接口而進(jìn)入分組交換網(wǎng)絡(luò)，并且被分發(fā)到不同的遠(yuǎn)程地點(diǎn)。CCITTX.21與X.25X．25是CCITT（ITU144.4傳輸媒體傳輸媒體(TransmissionMedium)也稱傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。它可分為兩大類，即導(dǎo)向傳輸媒體和非導(dǎo)向傳輸媒體。在導(dǎo)向傳輸媒體中，電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播，而非導(dǎo)向傳輸媒體就是指自由空間，在非導(dǎo)向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無(wú)線傳播。4.4傳輸媒體傳輸媒體(TransmissionMed15常用的傳輸媒體：雙絞線：由互相絕緣的銅導(dǎo)線用規(guī)則的方法扭絞起來(lái)而成，線對(duì)扭在一起可以減少相互間的輻射電磁干擾。雙絞線早期用在電話通信中模擬信號(hào)的傳輸，也用于數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸，是最常用的傳輸媒體。為了提高雙絞線的抗干擾能力，可以在雙絞線的外面再加上一層用金屬絲編織的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線，簡(jiǎn)稱為STP(ShieldTwistedPair)。常用的傳輸媒體：雙絞線：由互相絕緣的銅導(dǎo)線用規(guī)則的方法扭絞起16圖4-1雙絞線的結(jié)構(gòu)圖4-1雙絞線的結(jié)構(gòu)17常用的傳輸媒體：同軸電纜：同軸電纜同軸電纜也象雙絞線那樣由一對(duì)導(dǎo)體組成，但它們的按"同軸"形式構(gòu)成線對(duì)，最里層是內(nèi)芯,外包一層絕緣材料，外面再一層屏蔽層，最外面則是起保護(hù)作用的塑料外套。內(nèi)芯和屏蔽層構(gòu)成一對(duì)導(dǎo)體。常用的傳輸媒體：同軸電纜：同軸電纜同軸電纜也象雙絞線那樣由一18圖4-2同軸電纜的結(jié)構(gòu)圖4-2同軸電纜的結(jié)構(gòu)19常用的傳輸媒體：光纖：光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱,，它由能傳導(dǎo)光波的石英玻璃纖維，外加保護(hù)層構(gòu)成。光纖的傳輸原理基于光在兩種介質(zhì)交界面上的全反射現(xiàn)象，把以光形式出現(xiàn)的能量約束在波導(dǎo)內(nèi)，并引導(dǎo)光沿著軸線平行的方向傳播。常用的傳輸媒體：光纖：光纖是光導(dǎo)纖維的簡(jiǎn)稱,，它由能傳導(dǎo)光波20圖4-3光線在光纖中的折射圖4-3光線在光纖中的折射21圖4-4多模光纖與單模光纖圖4-4多模光纖與單模光纖22圖4-5光纖通信中常用的三個(gè)波段圖4-5光纖通信中常用的三個(gè)波段23常用的傳輸媒體：無(wú)線傳輸：無(wú)線傳輸媒體都不需要架設(shè)或鋪埋電纜或光纖，而通過(guò)大氣傳輸，有三種技術(shù)：微波、紅外線和激光。常用的傳輸媒體：無(wú)線傳輸：無(wú)線傳輸媒體都不需要架設(shè)或鋪埋電纜24圖4-6電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜圖4-6電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜254.5 寬帶接入技術(shù)4.5.1 DSL4.5.2 HFC4.5.3 FTTX光纖接入技術(shù)4.5 寬帶接入技術(shù)4.5.1 DSL26DSLDSL：DSL(DigitalSubscriberLine數(shù)字用戶環(huán)路)技術(shù)是基于普通電話線的寬帶接入技術(shù)，它在同一條用戶線路上分別傳送數(shù)據(jù)和語(yǔ)音信號(hào)。DSL包括ADSL、RADSL、HDSL和VDSL等等。非對(duì)稱數(shù)字用戶線系統(tǒng)ADSL是DSL的一種非對(duì)稱版本，它采用FDM（頻分復(fù)用）技術(shù)和DMT調(diào)制技術(shù)，在保證不影響正常電話使用的前提下，利用原有的電話雙絞線進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。DSLDSL：DSL(DigitalSubscriber27DMT調(diào)制技術(shù)DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)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(gè)子信道用于上行信道，而249個(gè)子信道用于下行信道。每個(gè)子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴(yán)格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對(duì)用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。DMT調(diào)制技術(shù)DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把428圖4-7使用DMT的ADSL頻譜劃分方案圖4-7使用DMT的ADSL頻譜劃分方案29ADSL的接入模型ADSL的接入模型30HFC基于HFC網(wǎng)（光纖和同軸電纜混合網(wǎng)）的CableModem電纜調(diào)制解調(diào)器技術(shù)，又名線纜調(diào)制解調(diào)器，主要用于有線電視網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。電纜調(diào)制解調(diào)器（CableModem）技術(shù)就是基于CATV（HFC）網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)。HFC基于HFC網(wǎng)（光纖和同軸電纜混合網(wǎng)）的CableMo31CableModem的工作過(guò)程以DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)為例，CableModem的技術(shù)實(shí)現(xiàn)一般是從87MHZ—860MHZ電視頻道中分離出一條6MHZ的信道用于下行傳送數(shù)據(jù)。通常下行數(shù)據(jù)采用64QAM（正交調(diào)幅）調(diào)制方式或256QAM調(diào)制方式。上行數(shù)據(jù)一般通過(guò)5MHZ—65MHZ之間的一段頻譜進(jìn)行傳送，為了有效抑制上行噪音積累，一般選用QPSK調(diào)制。CableModem的工作過(guò)程以DOCSIS標(biāo)準(zhǔn)為例，C32FTTX光纖接入技術(shù)光纖通信具有通信容量大、質(zhì)量高、性能穩(wěn)定、保密性好、防電磁干擾、遠(yuǎn)距離傳輸能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在主干線通信中，光纖扮演著重要角色，在接入網(wǎng)中，光纖接入也將成為發(fā)展的重點(diǎn)。光纖接入網(wǎng)從技術(shù)上可分為兩大類：即有源光網(wǎng)絡(luò)(AON，ActiveOpticalNetwork)和無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)(PON，PassiveOpticaOpticalNetwork)。FTTX光纖接入技術(shù)光纖通信具有通信容量大、質(zhì)量高、性能穩(wěn)定33光纖接入方式根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)單元的位置，光纖接入方式可分為如下幾種：FTTR（光纖到遠(yuǎn)端接點(diǎn)）；FTTB（光纖到大樓）；FTTC（光纖到路邊）；FTTZ（光纖到小區(qū)）；FTTH（光纖到用戶）。光網(wǎng)絡(luò)單元具有光/電轉(zhuǎn)換、用戶信息分接和復(fù)接，以及向用戶終端饋電和信令轉(zhuǎn)換等功能。光纖接入方式根據(jù)光網(wǎng)絡(luò)單元的位置，光纖接入方式可分為如下幾34光纖接入技術(shù)的優(yōu)勢(shì)