第二章物理层

1主讲：孔广黔E-mail:csc.gqkong@计算机网络

computernetworks2第二章物理层内容提要物理层的基本概念数据通信的基础知识传输媒体信道复用技术3物理层基本服务功能物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流；计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。

4物理层向数据链路层提供的服务

物理连接的建立、维护与释放；物理连接分为点-点连接与多点连接或广播连接；数据传输分为全双工、半双工与单工方式；数据传输分为串行传输方式与并行传输方式；串行传输方式的物理数据服务单元是位；并行传输方式的物理数据服务单元是N位，N为并行连接的物理通道数。5物理层特性物理层的主要任务描述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。6内容提要物理层的基本概念数据通信的基础知识传输媒体信道复用技术数字传输系统7数据通信系统的模型8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正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC机单工、半双工与全双工通信9单工通信——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。单工、半双工与全双工通信10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)。单工、半双工与全双工通信11全双工通信——通信的双方可以同时发送和接收信息。1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号传输12基带(baseband)信号基带信号（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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。13几种最基本的调制方法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。

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信道容量信道：发送器和接收器之间用以传输信号的媒介或途径信道容量：给定通信路径或信道上的数据传送速率15信道的最高码元传输速率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。16数字信号通过实际的信道失真不严重失真严重17实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)奈氏(Nyquist)准则每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒

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个码元。Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。18理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaudW是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)不能通过能通过0频率(Hz)W(Hz)奈氏(Nyquist)准则实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特是信息量的单位(bps，b/s)。

19波特率与比特率的关系1Baud=（log2M）bps其中，M表示离散性信号或电平的个数；一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（bit）20信道的极限信息传输速率香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。信道的极限信息传输速率C可表达为

C=Wlog2(1+S/N)b/sW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。

信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)

21香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，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。22例假设一个音频电话线路支持的频率范围为300Hz到3400Hz，其信噪比是25dB，试求这个线路传输速率的上限23解：由题可知，这条线路的带宽为：W=3400-300=3100(Hz)又因为信噪比为25dB，故由公式：(S/N)db=10log10(S/N)可得S/N=102.5=316由香农公式可得：C=3100log2(1+316)=25761(b/s)内容提要物理层的基本概念数据通信的基础知识传输媒体信道复用技术数字传输系统24物理层下面的传输媒体25无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地面微波

调幅无线电

调频无线电

海事无线电光纤电视(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移动无线电电信领域使用的电磁波的频谱传输媒体（传输介质）传输介质可以分为有线和无线传输介质在有线介质中，电磁波沿着物理通路呈导向性传播无线介质可以传播电磁波，但并不为它们导向有线介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等无线介质一般指自由空间（大气、真空）26双绞线非屏蔽双绞线(UTP)屏蔽双绞线(STP)27非屏蔽双绞线（UTP）由4对双绞线和一层塑料护套构成完全依靠双绞线对产生的消除效果来限制由电磁干扰和无线电频率干扰而引起的信号退化非屏蔽双绞线必须遵守关于每英尺允许有多少次的绞合或交织的规定EIA为非屏蔽双绞线定义了六种不同的质量类别，常用的有3类、4类和5类优点：1、容易安装且比其它类型的网络介质便宜；2、尺寸较小，节省空间；缺点：1、易受电磁信号干扰；2、传输距离短2829屏蔽双绞线（STP）屏蔽双绞线结合了屏蔽技术和消除技术4对线缆全由金属薄片包围着优点：屏蔽双绞线能对所有类型的外界干扰更有效地进行阻止缺点：在安装费用和难度方面，它比非屏蔽双绞线要昂贵和更困难3031RJ45连接器32RJ-45连接器188Pair4R41234567线对T是火线R是零线Pair2T2Pair2R2Pair3T3Pair1R1Pair1T1Pair3R3Pair4T4管脚直通电缆33电缆两端线序相同管脚标识1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC10BaseT/

100BaseT直接连接管脚标识1 TD+2 TD-3 RD+4 NC5 NC6 RD-7 NC8 NC服务器/路由器18直通电缆8集线器/交换机1交叉电缆34

电缆两端部分线交叉10BaseT/

100BaseT交叉连接管脚标识1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC管脚标识1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC交叉电缆集线器/交换机集线器/交换机1818用交叉电缆连接两台计算机351、制作网线一端的RJ45头1、3线交换，2、6线交换，另一端不变制作工具：剥线钳、压线钳2、设置TCP/IP每台计算机的IP地址都不能相同，如第一台计算机为子网掩码为。第二台计算机的IP地址为，子网掩码为。3、对线路进行通断测试硬件测试方法：使用RJ-45测线仪软件测试方法：使用Ping命令，如C>ping用直通电缆连接计算机和Hub36使用直通电缆，电缆两端RJ45头线序一致其它设置方法与前面相同集线器（hub）同轴电缆结构：内导体、绝缘材料、外导体（屏蔽层）、保护套基带同轴电缆(50)、宽带同轴电缆(75)粗缆连接距离长，可靠性高但安装难度大，造价高细缆安装较简单，造价也低，但需切断电缆安装网络连接头BNC，当接头多时容易产生接触不良的现象37外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体同轴电缆的连接器T型连接头BNC连接器终端匹配电阻38T型连接头BNC连接器终端匹配电阻光纤光纤（opticalfiber）即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信。优点：抗电磁干扰能力强低损耗高传输速率缺点：费用高不易安装和维护质地脆易断裂，机械性能差39光纤的结构纤芯：具有高折射率的纯玻璃包层：具有较低折射率的玻璃或塑料制成护套：塑料制成的保护套40光线在光纤中的折射41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）包层纤芯光纤的工作原理42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光纤模式类型多模光纤不同的光线以不同的反射角传播，可以认为每一束光线有一个不同的模式特点：存在色散现象，适于中短距离中小容量的通信单模光纤光纤的直径被减小到一个光波波长大小，光在其中没有反射，而是沿直线传播特点：传输距离远；衰减小；传输速率高；但价格昂贵；适于大容量远距离通信43多模光纤与单模光纤44输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光纤传输系统光源：LED(发光二极管)ILD(注入式激光二极管)光检测器：光电二极管(PIN)雪崩光电二极管(APD)45内容提要物理层的基本概念数据通信的基础知识传输媒体信道复用技术数字传输系统46信道复用技术由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，被称为多路复用47多路复用器多路译码器N个信源N个输出1条线路多个信道多路复用原理信道复用技术常用的几种方法：频分复用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）波分复用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）时分复用TDM（TimeDivisionMultiplexing）码分复用CDM（CodeDivisionMultiplexing）48频分多路复用（FDM）频带被划分为若干个逻辑信道每个信号被调制到不同的载波频率载波频率之间有间隙，保证信号不会重叠49频分多路复用（FDM）5092通道1通道2通道3808484888892808488调频前调频后多路复用以后频率(Hz)频率(kHz)频率Hz3003400波分多路复用（WDM）在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种由于受到目前电/光和光/电转换的速度的限制，对于带宽可达25000GHz的光纤来说，目前一般可以利用的数据传输率可达10Gbps。如采用波分多路复用技术，在一根光纤上发送8个波长的光波，假设每个波长可以支持10Gbps的数据传输率，则一根光纤所能支持的最大数据传输率将达到80Gbps51波分多路复用光纤1光谱光纤2光谱共享光纤上的光谱能量能量能量波分多路复用（WDM）521550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm53时分复用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)时分复用则是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）。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。54时分复用频率时间BCDB