第3章 物理层文档格式.docx
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数字数据是离散的值。
模拟数据是在某个区间内连续的值。
▪信息（Information）：
是数据的内容或解释。
▪信号：
数据的电磁或电子编码，它使数据以适当的形式在介质上传输。
按其编码机制信号也可分为模拟信号和数字信号两种。
模拟信号是连续变化的电磁波。
数字信号是一系列的电脉冲方波。
信息通过数据通信系统传输
▪把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。
▪信息和数据（0,1比特）一般不能直接在介质上传输。
▪编码：
数据适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错
▪调制：
数字信号适合传输的形式——按频率、幅度、相位
▪解调：
接收波形数字信号
▪解码：
数字信号原始数据
▪数字数据和模拟数据都可以通过模拟信号传输。
▪模拟传输：
▪模拟数据、模拟信号：
如早期的电话系统；
▪数字数据、模拟传输：
需要调制。
数字数据和模拟数据也都可以通过数字信号传输
▪数字数据、数字信号：
可直接传输；
▪模拟数据、数字信号：
先将模拟数据数字化
3.2.2信道
信道：
信号传递的通路。
它建立在传输介质之上，包含传输媒介和必要的设备。
同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过。
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
信道按所传送的信号分为模拟信道和数字信道。
信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号。
▪基带信号：
将数字信号1或0直接用不同的电压来表示，然后送到线路上传输——基带传输。
▪宽带信号：
将基带信号调制后形成频分复用模拟信号。
由于每一路基带信号可以搬移到不同的频段，因此，在一条线缆中可以同时传送多路数字信号。
3.2.3信道的最高码元传输速率
码元：
时间轴上的一个信号编码单元
同步脉冲：
用于码元的同步定时，识别码元的开始
▪同步脉冲也可位于码元的中部
▪一个码元也可有多个同步脉冲相对应
波特率：
码元传输的速率单位。
波特率为每秒传送的码元数（即信号传送速率），单位为波特。
奈奎斯特准则：
在理想低通信道下的最高码元传输速率公式：
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
W为理想低通信道的带宽，单位为赫兹（Hz）
奈氏准则的另一种表示：
每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
对于具有理想带通矩形特性的通道，奈氏准则就变为：
每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。
若码元的时间宽度为T，则码元传输速率=1/T（Baud）
比特率与波特率是两个不同的概念
波特率是每秒传送码元的个数，而比特率是每秒传输二进位数的位数
一个码元可以携带n个信息位，所以比特率是波特率的n倍。
若码元传输速率为Mbaud，则比特率为M×
nbps。
例：
一个带宽为3KHz的理想低通信道，其最高码元传输速率为6000Baud。
若1个码元可携带3个比特的信息量，则最高信息传输速率=18000bps。
问题：
如何使1个码元携带3个信息位？
调制！
如多相制
根据奈奎斯特准则，无噪信道传输能力公式：
C=2*W*log2N（bps）
其中，W为信道的带宽，单位为Hz；
N为电平信号的级数，也即一个码元所取的离散值个数。
[例]普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值B=2*W=2*3k=6kBaud；
若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率C=2*3k*log216=24kbps。
3.2.4信道的极限传输速率
香农定理：
在一个带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中极限信息传输速率C可表达为
C=Wlog2（1+S/N）b/s
▪其中，W为信道的带宽，单位为赫；
S、N分别表示信道内信号的平均功率和高斯噪声功率。
▪通常把信噪比表示成10lg（S/N）分贝（dB）
在3.1KHz的标准电话信道，如果信噪比S/N=2500，那么由香农定理可知，无论采用何种先进的编码技术，信息的传输速率不可能超过3100×
log2（1+2500）b/s，即35Kbps。
若信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。
∵10lg（S/N）=30
∴S/N=1030/10=1000
∴C=3klog2（1+1000）≈30kbps
香农定理表明：
信道的带宽越大，或信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定可以找到某种办法实现无差错的传输，但并未给出具体实现方法。
奈氏准则和香农定理的作用范围
3.3物理层下面的传输媒体
传输媒体也叫传输介质或传输媒介。
传输媒体分为导向传输媒体和非导向传输媒体。
3.3.1导向传输媒体
（1）双绞线:
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来,以减少相邻导线间的电磁干扰.
▪用户线:
电话机到电话交换机之间的双绞线
▪可支持模拟传输和数字传输,长距离需放大或中继
▪分类:
屏蔽双绞线STP:
双绞外加上金属网屏蔽层
无屏蔽双绞线UTP:
双绞线
▪美国电子工业协会和电信工业协会颁布EIA/TIA-568标准
3类UTP:
绞合长度7.5—10厘米，端接设备的传输特性定义为16MH。
对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆；
在有限的距离内，经过适当的设计，数据速率可以达到16Mbps
5类UTP:
绞合长度0.6—0.85厘米，端接设备的传输特性定义为100MHZ是数字级电缆，现正成为新建大楼的预装设施；
在一定的范围内，经过适当的设计，5类电缆可以达到100Mbps速率
（2）同轴电缆
▪结构
▪T型分接头：
连接计算机
非插入式：
剪断导线再连接
插入式：
无需剪断导线
▪分类
基带同轴电缆（50电缆）：
用于数字传输，带宽为10Mbps，可将信号传送1KM，信号编码可采用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码
宽带同轴电缆（75电缆）：
用于模拟信号传输数字数据宽带模拟传输，带宽可达300～500MHz，如CATV。
500MHz以上信号可传达100KM，传送的信号采用了频分多路复用的宽带信号，每一个6MHz的信道可传送一路电视信号，传送数字信号时的数据率可达3Mbps。
（3）光纤：
由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构成，利用光脉冲来传输数据。
▪
结构：
▪传送过程：
用光纤来传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检波器还原成电信号。
光纤
▪分类：
多模光纤：
传输时存在多个传输路径，每一路径的长度不同，因此越过光纤的时间不同。
这使信号码元在时间上出现扩散，限制了能准确接收的数据速率，常为62.5m芯/125m外层。
单模光纤：
传输只存在单个传输途径，因此不会出现这种失真，常为8.3m芯/125m外层。
梯度折射率多模方式：
通过改变纤芯的折射率而形成，其特性介于普通多模与单模之间。
▪光纤的特点
通信容量非常大
传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
抗雷电和电磁干扰性能好
无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
体积小，重量轻
缺点是光纤精确地连接需用专用设备
▪每根光纤只能单向通信，如要双向通信必须成对
（4）无线通信
一些地方，如高山或岛屿，无法架设线缆；
人们还需要移动数据通信，可采用非导向传输媒体，如无线电、微波、红外线、激光、卫星进行通信。
目前高带宽的计算机通信主要使用：
微波，红外线和激光。
这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线（line-of-sight）通路，有时统称这三者为视线介质。
微波：
载波频率为2—40GHZ范围，因为频率很高，可同时传送大量信息。
地面微波接力通信：
微波沿直线传播的，而地球表面是曲面，需在地面建立中继站，天线越高距离越远。
卫星通信：
人造同步卫星位于36000KM的高空，可作为中继器实现微波接力通信。
其最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。
卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰较小，通信比较稳定。
卫星通信传播时延较大。
红外通信和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。
所不同的是红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号，再直接在空间传播。
卫星通信是利用地球同步卫星作中继来转发微波信号，一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上表面，三个这样的卫星可以覆盖地球上全部通信区域，地球上的各个地面站之间都可以互相通信了。
由于卫星信道频带宽，也可采用频分多路复用技术分为若干子信道。
有些用于地面站向卫星发送（称为上行信道），有些用于由卫星向地面转发（称为下行信道）。
卫星通信的优点是容量大，距离远；
缺点是传播延迟时间长。
从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间为270ms，且这个传播延迟时间是和两站点间的距离无关的。
这相对于地面电缆传播延迟时间约6s/km来说，特别对于近距离的站点，要相差几个数量级。
数据通信系统的基本知识
数据与信号：
计算机可以通过网络收发数据。
但是，数据和传送数据时所采用的信号是两个不同的概念。
数据编码：
我们把数据转换成传输时所采用的具体信号的过程。
数据通信系统的基本结构
▪数据表示和传输方式
数据表示
数据：
模拟数据（AnalogData）连续值
数字数据（DigitalData）离散值
数据传输方式
信号：
模拟信号（AnalogSignals）
数字信号（DigitalSignals）
信号发送方式：
模拟信号发送（模拟信道）
数字信号发送（数字信道）
3.4.1模拟传输系统
传统的电话通信系统是典型的模拟传输系统。
要实现全世界十多亿部互连成网，必须分级交换。
我国的电话网络现分5级，上面4级是长途电话网，最低一级是市话网。
4级长途交换中心从上到下分别是：
①一级中心，又称大区中心或省间中心。
②二级中心，又称省中心。
③三级中心，又称地区中心或县间中心。
④四级中心，又称县中心。
每一个上级交换局均按辐射状与若干个下级交换局连成星形网。
在这以下就是市话交换局，又称为端局，直接与其管辖范围内的各电话用户相连。
长途干线采用频分复用的传输方式（如60路、300路、1800路）。
目前只有各端局范围内因历史原因仍为模拟传输，而各交换中心长途干线之间均为数字传输。
3.4.2调制解调器
调制：
把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形
解调：
把调制转换后的模拟信号恢复成原有的数字信号。
根据调制过程中所采用的载波的特性不同，分为三种基本调制方法：
y=Asin（ωt+φ）
▪幅移键控（ASK,Amplitude-ShiftKeying）：
用载波的两个不同振幅表示0和1
▪频移键控（FSK,Frequency-ShiftKeying）：
用载波的两个不同频率表示0和1
▪相移键控（PSK,Phase-ShiftKeying）：
用载波的起始相位的变化表示0和1
3.4.3数字传输
数字数据采用数字信号传送是常采用非归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
模拟数据采用数字信号传送——脉冲代码调制PCM
▪采样:
每隔固定长度的时间点上抽取模拟数据的瞬时值。
根据采样定理，当抽样的频率大于或等于模拟数据的频带宽度（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真地代表被抽样的模拟数据。
▪量化:
把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数字值，并取整数，连续的电平幅值转换为离散的数字量。
▪编码把量化的结果转换为对应的二进制编码。
一个电话线路的模拟数据采样频率为每秒8000个脉冲值，每个脉冲信号用8位二进制码元（即256个不同等级）。
因此，一个话路的PCM信号速率为64Kb/s。
为有效利用传输线路，通常总是将多个话路的PCM信号用时分多路复用的方法装成帧后，再一帧一帧地传输。
PCM有两个互不兼容的国际标准
▪北美的24路PCM（T1）：
速率是1.544Mbps
▪欧洲的30路PCM（E1）：
速率是2.048Mbps。
我国采用的是E1标准。
复用：
把许多路信号组合在单一的物理传输线缆上用单一的传输设备进行传输的技术。
在远距离传输时可大大节省线缆的安装和维护费用，同时大大提高信道的利用率。
3.5.1频分复用FDM
原理：
整个传输频带被划分为若干个频率通道，每路信号占用一个频率通道进行传输。
频率通道之间留有防护频带以防相互干扰。
3.5.2时分复用TDM
时分多路复用（TDM）技术：
若媒体能达到的比特率超过单一信号源所要求的数据传输率，就可将一条物理信道按时间分成若干时间片轮流地给多个信号源使用，每一时间片由复用的一个信号源占用。
▪同步时分多路复用（普通时分复用）是指时分方案中的时间片是分配好的，而且是固定不变的，轮流占用，而不管某个信息源是否真有信息要发送。
这样，时间片与信息源是固定对应的。
▪异步时分多路复用（统计时分复用）允许动态地分配传输媒体的时间片。
这样便可大大减少某些信号源没有信号传输而占用时间片而造成的浪费。
因此，接收端无法根据时间片的序号来断定接收的是哪一路信息源的信息，需要在所传输的信息中带有相应的信息。
3.5.3波分复用WDM
波分复用，实际上是光的频分复用，它把多种波长的光复用到一根光纤上传输。
现在最多可在一路光纤上复用80路或更多路数的光载波信号——密集波分复用
波分复用就是光的频分复用
3.5.4码分复用CDM
码分多址CDMA技术允许每个用户可在同样的时间使用同样的频带进行通信。
在CDMA中，每一个比特时间再划分成m个短的间隔——码片，m通常为64或128。
使用的每一个站指派一个唯一的mbit码片序列，如S站，1的8bit码片序列为00011011，0的8bit码片序列为11100100（1的反码），S站的码片序列：
（–1–1–1+1+1–1+1+1）。
S站数据发送率为xb/s，则实际数据发送率为mxb/s，频带也拓宽到原来的m倍。
CDMA保证每一个站分配的码片序列不仅是各不相同的，而且必须互相正交。
如S站和T站的码片序列分别为S和T，则S•T=0，S•S=1
码片序列的正交关系
▪令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。
▪两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积（innerproduct）都是0：
令向量S为（–1–1–1+1+1–1+1+1），向量T为（–1–1+1–1+1+1+1–1）。
▪把向量S和T的各分量值代入（2-4）式就可看出这两个码片序列是正交的。
▪任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。
▪一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。
▪CDMA的工作原理
▪当X站要接收S站发来的数据，X站必须知道S站所特有的码片向量S，然后用它与所收到的未知信号进行求内积。
▪X站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和。
▪根据叠加原理可知，所求得的内积结果是：
所有其它站的信号都被滤掉（内积为0），只剩下S站发送来的信号。
若S站发送比特1时，则X站计算内积的结果为1；
当S站发送比特0时，内积的结果为-1。
CDMA的工作原理
频分复用、时分复用和码分复用的比较
CDMA与TDMA和FDMA的区别，就好像一个国际会议上，TDMA是任何时间只有一个人讲话，其他人轮流发言；
FDMA则是把与会的人员分成几个小组，分别进行讨论；
而CDMA就像大家在一起，每个国家的人使用自己国家的语言进行讨论。
3.6同步光纤网SONET和同步数字序列SDH
前面介绍的数字传输系统的缺点
▪速率标准不统一——转换困难，影响高速传输
北美和日本为T1速率
欧洲为E1速率
日本后又搞了第三种不兼容标准
▪非同步传输——准同步，需采用复杂的脉冲填充方法进行补偿。
同步：
接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等。
异步：
接收端的时钟没有和发送端的同步，通过起始比特判断一组数据。
同步光纤网SONET
▪整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟（铯原子钟，精度优于1*10-11）
▪SONET基本速率为51.840Mbps，包括51.840Mbps的OC-1、OC-3（155.520Mbps）和OC-12（622.08Mbps）。
系统开发人员现在瞄准的目标是投递1244.160Mbps（OC-24）和2488.320Mbps（OC-48）。
新研制的SONET标准则是OC-192（大约10Gbps）以及更高的级别。
▪SONET的四个主要目标
必须使不同的线路能够相互联接工作
统一欧美和日本的数字系统
必须能以某种方式将多个数字信道复用在一起
必须支持操作、管理和维护
▪SONET系统由交换机、多路复用器和中继器，由光纤连接
▪ITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH。
一般认为SDH和SONET是同义词，但SDH体系使用155.520Mbps的建筑块，而不是51.840Mbps的建筑块。
不过，对于适当的聚合带宽值，它们基本上是一致的。
▪SDH/SONET定义了标准光信号，规定波长为1310nm和1550nm的激光源，并定义了相应的帧结构。
▪SONET定义了四个光接口层，自下而上为：
▪光子层：
处理跨越光缆的比特传送，负责同步传送信号STS的电信号和光载波OC的光信号的转换。
▪段层：
在光缆上传送STS-N帧，有成帧和差错检测功能。
▪线路层：
负责路径层的同步和复用，以及交换的自动保护。
▪路径层：
处理路径端接设备PTE之间的业务传输。
3.7物理层标准
为了各类数据终端设备（DTE:
DataTerminalEquipment，如微机、终端等）和数据电路端接设备（DCE:
DataCircuit-TerminatingEquipment，如调制解调器等）在计算机通信网中能够易于互连和互操作，通过遵循统一的标准实现广泛的兼容性，国际标准化组织（ISO）和国际电报电话咨询委员会（CCITT）从60年代起就进行了不懈的努力，陆续推出了一些关于物理接口的标准。
DTE具有一定的数据处理能力，具有发送和接收数据的能力
DCE在DTE和传输线路之间进行信号变换和编码，负责建立、保持和释放数据链路的连接。
3.7.1EIA-232-E接口标准
EIA-232-E是由美国电子工业协会EIA发布的标准，系统中，DTE和DCE之间有许多并行线，包括多种信号线和控制线。
机械特性方面：
使用DB-25插针和插孔，引脚分为上下两排，分别有13根和12根引脚，编号为1至13和12至25。
电气特性方面：
采用负逻辑，即-3V表示1，+3V表示0，逻辑0相当于数据的“0”或控制线“接通”状态，逻辑1相当于数据的“1”或控制线的“断开”状态。
当数据线不超过15米时，数据速率可最高可达20kbps。
功能特性方面：
规定了25针各与哪些电路连接，以及每个信号的含义。
规程特性方面：
规定了DTE与DCE之间所发生的事件的合法序列。
数据发送：
在EIA-232-E标准的系统中，DTE只有在下列4个电路都处于逻辑0（控制功能为ON）的条件下才可能发送数据：
（1）请求发送RTS（针4）
（2）清送CTS（针5）
（3）数据端接装置就绪DSR（针6）
（4）数据终端就绪DTR（针20）
规程特性（略）
（1）当DTE-A要与DTE-B通信时,将引脚20“DTE就绪”置为ON，同时通过引脚2“发送数据”向DCE-A传送电话号码信号。
（2）DCE-B将引脚22“振铃指示”置为ON，通知DTE-B有入呼叫信号到达，DTE-B将引脚信号20“DTE就绪”置为ON，接着DCE-B产生载波信号，将引脚6“DCE就绪”置为ON，准备接收。
（3）当DCE-A检测到载波信号，将引脚8“载波检测”和引脚6“DCE就绪”置为ON，以便DTE-A知道通信电路已建立。
DCE-A还通过引脚3“接收数据”向DTE-A发送其屏幕上显示的信息。
（4）DCE-A向DCE-B发送其载波信号，DCE-B将其引脚8“载波检”置为ON。
（5）当DTE-A要发送数据时，将引脚4“请求发送”置为ON，DCE-A将引脚8“允许发送”置为ON。
然后，DTE-A通过引脚2“发送数据”来发送数据，DCE-A将数字信号转换为模拟信号向DCE-B发送。
（6）DCE-B将收到的模拟信号转换成数字信号，经过引脚3“接收数据”向DTE-B发送。
3.7.2RS-449接口标准（略）
EIA-232接口标准的弱点
▪连接电缆的最大长度不超过15m；
▪数据的传输速率不超过20Kb/s。
EIA于1977年制订RS-449标准，取代RS-232
RS-449
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