通信子網的物理層第1頁，課件共50頁，創作于2023年2月第三章通信子網的物理層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 3.4傳輸信道 3.5傳輸編碼 3.6典型物理層協議 第2頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.1物理層概述實現通信子網的第一項任務—結點的連通。基本功能:在一條物理傳輸媒體上，實現數據鏈路實體之間透明地傳輸各種數據的比特流。通過某種物理特征（比如電壓或者電流）的變化，可以在線路上傳輸信息。第3頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.1物理層概述主要任務：確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：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。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。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。規程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。

第4頁，課件共50頁，創作于2023年2月EIA-232/V.24的信號定義(1)保護地(2)發送數據(3)接收數據(4)請求發送(5)允許發送(6)DCE就緒(7)信號地(8)載波檢測(20)DTE就緒(22)振鈴指示DTEDCE計算機或終端調制解調器第5頁，課件共50頁，創作于2023年2月圖ISO標準化的五種連接器規格(a)9針;(b)15針;(c)25針;(d)37針;(e)34針第6頁，課件共50頁，創作于2023年2月常用的電氣特征標準——接口電平的物理意義第7頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.1概述——物理層的服務1）物理連接的建立、維持與釋放2）物理服務數據單元的傳輸3）物理層管理4）數據編碼——將數據變成比特流`第8頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.2物理層比特流傳輸模式串行和并行傳輸并行傳輸：如計算機與外圍設備，不適宜長距離的連接第9頁，課件共50頁，創作于2023年2月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：基于字節的輸入輸出空閑線路攜帶信號“1”，開始位使信號變為“0”通常用于低速設備。開銷比較大第10頁，課件共50頁，創作于2023年2月同步傳輸和異步傳輸同步傳輸的比特分組大的多，不是每個字符都有自己的開始位和停止位。——數據塊。數據塊的第一部分包含同步字符SYN——一個特殊的比特組合；控制位（源，目的地址，塊長度等）同步傳輸比異步傳輸快的多第11頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.2物理層比特流傳輸模式同步傳輸：傳輸的分組大的多，速度也快的多數據塊的組織方式隨協議而定第12頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.2物理層比特流傳輸模式單工、半雙工和全雙工通信第13頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.3通信介質介質特性：1）吞吐量和帶寬給定時間段內介質能傳輸的數據量介質能傳輸的最高頻率和最低頻率之間的差值2）成本3）尺寸和可擴展性：限制時延與衰減4）連接器：RJ45，BNC，光接口等5）抗噪性第14頁，課件共50頁，創作于2023年2月帶寬所有的傳輸設施子在傳輸過程中都要損失一些能量——衰減傳輸過程中振幅不會明顯減弱的這一段頻率范圍稱為帶寬。變化快，組成介質的物質粒子運動速度快，損耗多。衰減增加變化過慢也不能通過帶寬是傳輸介質的一種物理特征，通常取決于介質的材料構成、厚度和長度。第15頁，課件共50頁，創作于2023年2月光導纖維第16頁，課件共50頁，創作于2023年2月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）包層纖芯發射裝置：發光二極管或者半導體激光接收器：光敏元件（檢測光脈沖）習慣上一個光脈沖表示“1”，沒有光表示“0”第17頁，課件共50頁，創作于2023年2月光導纖維任何入射角度大于臨界值的光束都會在內部反射，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光波波長的時候——光纖如同一個波導，直線傳輸——單模光纖。（100KM)第18頁，課件共50頁，創作于2023年2月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19頁，課件共50頁，創作于2023年2月光導纖維更高的帶寬，幾乎無限的吞吐量（可以以每秒10GB的速度可靠的傳輸數據），非常高的抗噪性以及極好的安全性、光通過玻璃的衰減取決于光的波長缺點：斷裂連接非常困難，技術要求高，成本高。第20頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.4傳輸信道物理信道，邏輯信道。邏輯信道是被分配用來傳輸一路信息的通路，它是對物理信道的分割，是抽象的。第21頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.4傳輸信道---信道的帶寬物理信道能夠允許順利通過的最大的連續頻率范圍稱作這個信道的帶寬。信道帶寬的客觀存在表明信道只能用來傳輸信號的帶寬小于信道帶寬的那些信號。第22頁，課件共50頁，創作于2023年2月信道的最大數據傳輸率工程師奈奎斯特意識到：即使是一條理想的信道，它的傳輸能力也是有限的。對于數字信道而言，一個數字脈沖稱為一個碼元，我們用碼元速率表示單位時間內信號波形的變換次數，即單位時間內通過信道傳輸的碼元個數。第23頁，課件共50頁，創作于2023年2月碼元速率與信息速率碼元是一種數字脈沖，我們用它來攜帶數據，一個碼元可以攜帶1個或多個數據.比如一個脈沖可以取3V、0V兩個值，那么它可以攜帶1比特的信息（0或者1，假設用0V表示0，用3V表示1），若碼元可取4種離散值，則一個碼元就可攜帶2比特信息。第24頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.4傳輸信道第25頁，課件共50頁，創作于2023年2月信道的最大數據傳輸率奈奎斯特有限帶寬無噪聲信道的極限波特率B:數字信道帶寬。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數。第26頁，課件共50頁，創作于2023年2月碼元速率與數據傳輸速率波特率和數據速率是不同的兩個概念單位時間內在信道上傳送的信息量（比特數）稱為數據速率。當碼元取兩個離散值時兩者的值相等即二進制下而這相同香農把它拓展到帶隨機噪聲的信道。最大傳輸速率=2Blog2（1+S/N)。S:信號功率N：噪聲功率第27頁，課件共50頁，創作于2023年2月碼元速率與數據傳輸速率數據傳輸率：單位時間內傳送的二進制數據位數，單位bps比特每秒。碼元傳輸速率：單位時間內傳送的碼元（即脈沖）數，單位Baud波特。第28頁，課件共50頁，創作于2023年2月信道多路復用技術信號分割原理：對在線性信道上傳輸的多路復用信號實現有效分割的充分必要條件是各路信號應相互線性無關(線性獨立)。線性無關信號就是我們這里所說的有差別的信號，就可以實現分割。第29頁，課件共50頁，創作于2023年2月多路復用種類頻分復用FDM波分復用WDM時分復用TDM碼分復用CDMA第30頁，課件共50頁，創作于2023年2月頻分多路復用原理：當傳輸媒體的有效帶寬大于多個被傳輸信號所要求的帶寬，可將媒體帶寬內的可用頻帶分成若干互不交疊的頻段，每個這樣的頻段被用來傳送一路信號，即每路信號占據其中一個頻段，在這個同一物理線路的帶寬內的多個相互隔離的頻段上同時傳送多路信號。第31頁，課件共50頁，創作于2023年2月頻分復用頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5第32頁，課件共50頁，創作于2023年2月低通低通調制帶通調制帶通合成物理信道帶通帶通解調解調低通低通頻分多路復用第33頁，課件共50頁，創作于2023年2月頻分多路復用模擬傳輸系統:長途干線最初采用頻分復用FDM的傳輸方式FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)目前我國長途通信線路已實現了數字化，因而現在的模擬通信電路就只剩下從用戶電話機到市話交換機之間的這一段幾公里長的用戶線上。第34頁，課件共50頁，創作于2023年2月時分多路復用(現在主流)原理：當傳輸媒體能夠達到的數據傳輸率即物理信道容量大于多個被傳信號的數據傳輸率時，可將傳輸時間劃分成等量的時間片，多個信號交錯輪流占據不同時間片，每路信號通過周期交錯連續的時間片傳輸，實現在同一時段（由多個時間片組成）內傳送多路信號。第35頁，課件共50頁，創作于2023年2月時分多路復用第36頁，課件共50頁，創作于2023年2月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用戶第37頁，課件共50頁，創作于2023年2月統計時分復用

STDM用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統計時分復用第38頁，課件共50頁，創作于2023年2月波分復用整個波長頻帶被劃分為若干個波長范圍，每路信號占用一個波長范圍來進行傳輸。它是利用這段頻率電磁波所具有的光學性質進行信號的分解與合成的。激光器（λ1）激光器（λn）合光器∑分光器光檢器（λ1）光檢器（λn）第39頁，課件共50頁，創作于2023年2月1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km波分復用第40頁，課件共50頁，創作于2023年2月碼分多路復用(無線主流)常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。在CDMA系統中，各發送端用各不相干的，相互(準)正交的地址碼調制其所發送的信號，在接收端利用碼型的(準)正交性，通過地址識別(相關檢測)從混合信號中選出相應信號。

第41頁，課件共50頁，創作于2023年2月CDMA與WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA目前3G的移動通訊標準有WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA。CDMA2000是在CDMA框架下的一個技術標準，發展階段WCDMA（WidebandCodeDivisionMultipleAccess)寬帶碼分多址：國際電信聯盟標準。中國聯通SCDMA是同步碼分多址的無線接入技術：全新的我國擁有完整自主知識產權的第三代無線通信技術標準。第42頁，課件共50頁，創作于2023年2月碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個惟一的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，則發送該碼片序列的二進制反碼。

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。第43頁，課件共50頁，創作于2023年2月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。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。第44頁，課件共50頁，創作于2023年2月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：第45頁，課件共50頁，創作于2023年2月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第46頁，課件共50頁，創作于2023年2月3.5傳輸編碼對于模擬形式的信息，從采樣到得到離散的整數序列的整個過程稱作脈沖編碼調制（PCM）。時間連續模