物理层(比特流) |
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物理层
一、物理层的基本概念二、数据通信的基础知识1.数据通信系统的模型2.有关信道的几个基本概念3.信道的极限容量4.信道的极限信息传输速率
三、物理层下面的传输媒体1.导引型传输媒体2.非导引型传输媒体
四、信道复用技术1.频分复用、时分复用和统计时分复用2.波分复用3.码分复用
五、数字传输系统六、宽带接入技术1.ADSL技术2.光纤同轴混合网(HFC 网)3.FTTx 技术
一、物理层的基本概念
物理层关注如何在传输媒体上传输数据比特流,而不是具体的传输媒体; 物理层的作用是尽可能屏蔽传输媒介的差异,使数据链路层只需要考虑本层的协议和服务 物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口的一些特性,即: 机械特性: 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性: 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 功能特性: 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 过程特性: 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 OSI采纳了各种现成的协议,其中有RS-232、RS-449、X.21、V.35、ISDN、以及FDDI、IEEE802.3、IEEE802.4、和IEEE802.5的物理层协议 二、数据通信的基础知识 1.数据通信系统的模型
单向通信(单工通信)——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。 双向交替通信(半双工通信)——通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。 双向同时通信(全双工通信)——通信的双方可以同时发送和接收信息。 基带信号(即基本频带信号)——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。 基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。 带通信号——把基带信号经过载波调制后,把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。 有利于传输,同时也利于频率复用 几种基本调制方法: 基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制(modulation)。 最基本的二元制调制方法有以下几种: **调幅(AM):**载波的振幅随基带数字信号而变化。 **调频(FM):**载波的频率随基带数字信号而变化。 **调相(PM) :**载波的初始相位随基带数字信号而变化。 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。 码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,在信道的输出端的波形的失真就越严重。 4.信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C 可表达为: C = W log2(1+S/N) b/s W 为信道的带宽(以 Hz 为单位); S 为信道内所传信号的平均功率; N 为信道内部的高斯噪声功率。 注: 对于频带宽度已确定的信道,如果信噪比不能再提高了,并且码元传输速率也达到了上限值,那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 但,每个码元携带信息量越多,接收端解调错误的概率增加。 三、物理层下面的传输媒体双绞线 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50Ω同轴电缆 75Ω同轴电缆 光缆 2.非导引型传输媒体无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射,但短波信道的通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信 无线局域网使用 ISM 频段(无需授权) 四、信道复用技术 1.频分复用、时分复用和统计时分复用(1)频分复用(FDM): 用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始至终都占用这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(注:这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。 (3)统计时分复用(STDM): (4)波分复用(WDM): 常用的名词是码分多址 CDMA(Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(chip)。
脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。 由于历史上的原因,PCM 有两个互不兼容的国际标准,即北美的 24 路 PCM(简称为 T1)和欧洲的 30 路 PCM(简称为 E1)。 我国采用的是欧洲的 E1 标准。 E1(32时隙x64Kbps) 的速率斜体样式是 2.048 Mb/s; 而 T1(24时隙x64Kbps) 的速率是 1.544 Mb/s。 当需要有更高的数据率时,可采用复用的方法。 同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1,OC 表示Optical Carrier。 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 (Synchronous Digital Hierarchy)。 (核心网物理层主要传输技术) 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。 SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s,称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module),即 STM-1,相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。 ADSL、WLAN、FTTX(光纤)是接入网物理层采用的主要传输技术 1.ADSL技术ADSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带业务。 标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内,但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。 ADSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。 DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)
ADSL的特点: 上行和下行带宽做成不对称的。 上行指从用户到 ISP,而下行指从 ISP 到用户。 ADSL 在用户线(铜线)的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。 DMT 调制技术采用频分复用的方法,把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道,其中 25 个子信道用于上行信道,而 249 个子信道用于下行信道。 每个子信道占据 4 kHz 带宽(严格讲是 4.3125 kHz),并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。 HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。 HFC 网除可传送 CATV 外,还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络,它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造, 解决最后一公里的一种方案,这种方案正在被WLAN/FTTH取代 HFC的主要特点: (1) HFC网的主干线路采用光纤 HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤,并使用模拟光纤技术。 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM,这比使用数字光纤更为经济。 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node),即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。 (2) HFC 网采用结点体系结构 电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间,最高可达 30 Mb/s,而上行速率一般为 0.22 Mb/s,最高可达 10 Mb/s。 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多,并且不是成对使用,而是只安装在用户端。 3.FTTx 技术FTTx(光纤到……) 也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。例如: 光纤到户 FTTH (Fiber To The Home): 光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building): 光纤进入大楼后就转换为电信号,然后用电缆或双绞线分配到各用户。 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb): 从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。 |
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