计算机网络 物理层

计算机网络（第5版）第2章物理层2/1/2023辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件第2章物理层2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

2.2.2有关信道的几个基本概念

2.2.3信道的极限容量2.3物理层下面的传输媒体

2.3.1导向传输媒体

2.3.2非导向传输媒体2/1/20232辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件第2章物理层（续）2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

2.4.2波分复用

2.4.3码分复用2.5数字传输系统2.6宽带接入技术

2.6.1xDSL技术

2.6.2光纤同轴混合网(HFC网)2.6.3FTTx

技术2/1/20233辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.1物理层的基本概念物理层考虑的是怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流，屏蔽不同硬件设备、传输媒体和通信方式所带来的各种差异。物理层的主要任务：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、引脚数目和排列、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2/1/20234辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC机公用电话网调制解调器数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号输入汉字显示汉字数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机数据通信系统的模型2/1/20235辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件几个术语数据(data)—信息的数据化形式。信号(signal)—数据电气的或电磁的表现，或数据的物理量编码。模拟信号—在时间域上幅度取值连续的信号数字信号—在时间域上幅度取值离散的信号码元(code)—在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。2/1/20236辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件

模拟信号、数字信号和码元ta)模拟信号tb)数字信号t码元1码元2码元3码元4码元5信号2/1/20237辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件

2.2.2有关信道的几个基本概念信道和通信电路不同根据通信双方信息交换的方式，通信方式可以分为以下三种：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。2/1/20238辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件

基带信号和带通信号

基带信号(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)。调制分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然属于基带信号。这类调制称为基带调制。2/1/20239辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件带通信号和几种最基本调制方法

另一类需要使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。这类调制称为带通调制。经载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。最基本的带通调制方法有以下几种：调幅(AM，幅度调制，幅移键控):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

2/1/202310辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件对基带数字信号的几种调制方法

010011100基带信号调幅调频调相正交调幅QAM2/1/202311辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件第1章内容回忆(4)1.7计算机网络的体系结构实体、协议、服务、服务原语和服务访问点；TCP/IP的体系结构；everythingoverIP、IPovereverything2.1物理层的基本概念—物理层的主要任务2.2数据通信的基础知识数据通信系统的模型；几个术语(数据、信号、模拟信号、数字信号、码元)；三种通信方式；基带信号和带通信号；基带调制和带通调制；四种带通调制的方法；2/1/202312辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.2.3信道的极限容量

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。数字信号的优点：在接收端只要能从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在信道输出端的波形的失真就越严重。

2/1/202313辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件数字信号通过实际的信道

有失真，但可识别失真大，无法识别

实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形2/1/202314辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件信道能够通过的频率范围码间串扰：如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每个码元所占的时间界限不再很明确，前后都拖了“尾巴”。也就是说，扩散了的码元波形所占的时间变得更宽了。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。1924年，奈奎斯特(Nyquist)推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

2/1/202315辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件(2)信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。同时噪声是随机的；噪声的影响是相对的。信噪比S/N1dB=10log10(S/N)香农(Shannon)用信息论的理论推导出了香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率(极限容量)C可表达为

C=Wlog2(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。

2/1/202316辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件香农公式的含义

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信道的极限传输速率C就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽

W

或信噪比

S/N

没有上限(当然实际信道不可能是这样的)，则信道的极限信息传输速率

C

也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。2/1/202317辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件注意

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吗？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。也就是说，若以同样的速率发送码元，则同样的时间所传送的信息量就提高了。

因此，自香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。2/1/202318辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.3物理层下面的传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理线路。传输媒体分为两大类：导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固定媒体(铜线或光纤)传播；非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。2/1/202319辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.3.1导向传输媒体双绞线(双扭线)把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来，就构成了双绞线。绞合度越大，抗电磁干扰能力越强。使用双绞线最多的地方是电话系统。其通信距离一般为几到几十公里，距离太长需使用放大器或中继器。另外，导线越粗，其通信距离越远。双绞线的分类屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)和无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

3类、4类、5类、超5类、6类、7类双绞线2/1/202320辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件双绞线和同轴电缆铜线铜线聚氯乙烯套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线UTP屏蔽双绞线STP同轴电缆同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛应用于传输较高速率的数据。目前同轴电缆主要用于有线电视网的居民小区。2/1/202321辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件光纤和光缆光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。因此，光纤是光纤通信的传输媒体。光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成，直径仅有8至100um。光波通过纤芯传导。由于光纤非常细，因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物提高其机械强度。2/1/202322辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件光线在光纤中的折射

折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯2/1/202323辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射2/1/202324辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件输入脉冲输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤只适合近距离传输；单模光纤适合远距离传输2/1/202325辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件光纤的特点和缺点特点通信容量非常大传输损耗小，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，不易被窃听和截取数据体积小，重量轻缺点将两根光纤精确地连接需要专用设备光接口连接器较贵2/1/202326辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.3.2非导向传输媒体

若通信线路要通过一些高山或岛屿；在城市中挖开马路铺设电缆，都不是一件很容易的事。无线传输所使用的频段很广。短波通信(高频通信)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

2/1/202327辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念，即多个信息源共享一个公共信道。复用的目的在于提高线路利用率。信道A1A2B1B2C1C2信道信道共享信道A1A2B1B2C1C2复用器分用器(a)不使用复用技术(b)使用复用技术2/1/202328辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)

原理：整个传输频带被划分为若干个频带，每路信号占用一个频带进行传输。频带之间留有防护频带以防相互干扰。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。因此，频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

频分复用适用于模拟信号的传输。频率时间频带1频带2频带3频带4频带52/1/202329辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)

时分复用原理：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。因此TDM信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。时分复用适合于数字信号的传输。2/1/202330辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件时分复用(同步时分复用)

频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧B、C、D在TDM帧中的位置也不变2/1/202331辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件时分复用系统传输计算机数据

ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

2/1/202332辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件统计时分复用STDM(StatisticTDM)

用户ABCDabcdttttt3个STDM

帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用集中器各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，对于没有数据的缓存就跳过去。优点和缺点2/1/202333辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.4.2波分复用WDM

2.4.3码分复用CDM

波分复用就是光的频分复用。即在一根光纤上复用多路波长接近的光载波信号。码分复用：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，使得各用户之间不会造成干扰。因此，每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。码分复用系统现在广泛用在民用的移动通信中。采用CDMA(码分多址)可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信容量(是GSM的4~5倍)，降低手机的平均发射功率等等。2/1/202334辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.5数字传输系统

1.脉码调制PCM体制

脉码调制PCM(PulseCodeModulation)体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路话音。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的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。2/1/202335辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件电话信号转变为数字信号的过程首先必须对电话信号采样，采样频率不低于电话信号最高频率的2倍，这样可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号。连续的电话信号经采样后成为离散脉冲信号。经模数变换后，每个脉冲信号编码为二进制码元。为了有效地利用传输线路，通常将许多个话路的PCM信号用时分复用TDM的方法装成帧(TDM帧)，然后再送往线路上一帧一帧地传输。E1的时分复用帧共划分为32个时隙，其中有2个时隙用于帧同步和传送信令。2/1/202336辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件第2章内容回忆(1)2.2数据通信的基础知识信道的极限容量(香农公式)；2.3物理层下面的传输媒体传输媒体的分类；双绞线的分类；光纤和光缆；光纤的工作原理；光纤的分类；光纤的特点和缺点；非导向传输媒体2.4信道复用技术2.5数字传输系统脉码调制PCM2/1/202337辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件

2.同步光纤网和同步数字系列旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面：速率标准不统一PCM一次群数字传输速率有两个标准；高次群有三个标准。如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现。

不是同步传输在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式，给复用和分用带来许多麻烦。2/1/202338辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件同步光纤网SONET同步光纤网

SONET(SynchronousOpticalNetwork)由美国提出，其各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以51.84Mb/s为基础。此速率对于电信号称为第1级同步传送信号STS-1(SynchronousTransportSignal)；对于光信号则称为第1级光载波OC-1，OC表示OpticalCarrier。

2/1/202339辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件

同步数字系列SDH

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(SynchronousDigitalHierarchy)一般可认为SDH与SONET是同义词，主要不同点是：SDH的基本速率为155.52Mb/s，称为第1级同步传递模块

(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。SONET标准定义了四个光接口层，自下而上分别为：光子层、断层、线路层、路径层。其中前两层是必须有的，后两层是可供选择的。2/1/202340辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件线路速率(Mb/s)SONET符号ITU-T符号表示线路速率的常用近似值

51.840OC-1/STS-1

155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s

466.560OC-9/STS-9STM-3

622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s

933.120OC-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级/STS级与SDH的STM级的对应关系

2/1/202341辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件

四个光接口层

的作用光子层(PhotonicLayer)处理跨越光缆的比特传送，并负责电信号和光信号之间的转换。段层(SectionLayer)在光缆上传送STS-N帧，有组装成帧和差错校验功能。线路层(LineLayer)负责路径层的同步和复用，以及交换的自动保护。路径层(PathLayer)处理路径端接设备PTE(PathTerminatingElement)之间的业务的传输。

2/1/202342辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.6宽带接入技术

2.6.1xDSL技术xDSL

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。虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz

(P56)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。xDSL

技术就把0~4kHz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(DigitalSubscriberLine)的缩写。而DSL的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。2/1/202343辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件xDSL

的几种类型

ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非对称数字用户线HDSL(HighspeedDSL)：高速数字用户线SDSL(Single-lineDSL)：1对线的数字用户线VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速数字用户线DSL：综合业务数字网ISDN用户线。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率。2/1/202344辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件xDSL

的极限传输距离xDSL

的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系。例如，0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mb/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公里。如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里。用户线越细，传输速率越大，信号传输时的衰减就越大，传输距离就越短。2/1/202345辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件ADSL的特点上行和下行带宽不对称。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ADSL调制解调器的实现方案是离散多音调DMT(DiscreteMulti-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。2/1/202346辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件DMT技术DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz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4kHz带宽(严格讲是4.3125kHz)，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。2/1/202347辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件DMT技术的频谱分布

…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)~40~138~11002/1/202348辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件ADSL的数据率由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同)，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通

ADSL。通常向用户承诺的ADSL数据率：下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s之间，而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。2/1/202349辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件第二代ADSL

通过提高调制效率得到了更高的数据率。采用了无缝速率自适应技术

SRA(SeamlessRateAdaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，根据线路的实时情况，自适应地调整数据率。改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。2/1/202350辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件2.6.2光纤同轴混合网

HFC(HybridFiberCoax)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。2/1/202351辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件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(fibernode)，即光分配结点ODN(OpticalDistributionNode)。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。2/1/202352辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件(2)HFC网采用结点体系结构

同轴电缆头端模拟光纤放大器引入线分路器光纤结点服务区服务区服务区从头端到各个光纤结点用模拟光纤连接，构成星形网；光纤结点以下是树形网。采用结点体系结构的优点是提高了网络的可靠性。2/1/202353辽宁工程技术大学软件学院《计算机网络》课件(3)HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能