计算机物理层

主讲教师：郭慧敏金城学院精品课程计算机网络金城学院精品课程第3章物理层目录3.1物理层与物理层协议的基本概念数据通信的基本概念3.2频带传输技术3.3

基带传输技术3.4

多路复用技术3.5目录（续）3.6.

同步光纤网SONET

接入技术3.7本章学习要求：理解：物理层与物理层协议的基本概念。理解：数据通信的基本概念。掌握：传输介质类型及主要特性。掌握：数据编码的类型和基本方法。掌握：基带传输与频带传输的基本概念。掌握：多路复用技术的分类与特点。掌握：同步数字体系SDH的基本概念。掌握：接入技术的基本概念。53.1物理层与物理层协议的基本概念3.1.1物理层的基本服务功能

设置物理层的目的是：

屏蔽物理层所采用的传输介质、通信设备与通信技术的差异性，使数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是使用了哪种传输介质、通信设备与技术实现的。《计算机网络》第3章物理层63.1.2物理层协议的类型基于点—点通信线路的物理层协议基于广播通信线路的物理层协议7

物理层协议的类型增加最快。本学期对物理层与数据链路层的处理方法：

第3章讨论基于点—点通信线路的物理层协议与技术；

第4章讨论基于点—点通信线路物理层协议的数据链路层问题。

第5章以局域网、城域网与无线网络技术为背景，讨论基于广播信道的物理层和数据链路层协议与标准。

讨论

3.1.3物理层向数据链路层提供的服务图示：点—点通信线路的物理层比特流传输过程93.2数据通信的基本概念3.2.1信息、数据与信号信息、数据与信号的基本概念103.2.2数据通信方式图示：计算机网络中两台主机通信过程111）数据传输类型模拟信号与数字信号波形12串行通信与并行通信13单工、半双工与全双工通信142）同步技术同步传输异步传输153.2.3传输介质的主要类型与特性

双绞线的主要特性16同轴电缆的主要特性17光纤的主要特性

图示：光纤结构与传输原理18典型的光纤传输系统结构多模光纤与单模光纤的比较19光缆结构203.2.4数据编码分类213.3频带传输技术3.3.1频带传输技术的应用223.3.2波特率的定义波特率的定义调制速率描述通过模拟线路传输模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是1/s，称为波特（baud）。调制速率也称为波特率。波特率描述的是码元传输的速率。比特率的定义数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps。23波特率与比特率的关系比特率S（单位为bps）与调制速率B（单位为baud）之间关系可以表示为：

S=B·log2k

式中k为多相调制的相数。log2k值表示一次调制状态的变化传输的二进制比特数。24波特率与比特率的关系

调制速率（baud）

多相调制的相数log2k值

数据传输速率（bps）

2400

QPSK-2（k=2）

1

2400

2400

QPSK-4（k=4）

2

4800

2400

QPSK-8（k=8）

3

7200

2400

QPSK-16（k=16）

4

9600253.4基带传输技术3.4.1基带传输的定义在数据通信中，表示计算机二进制的比特序列的数字信号是典型的矩形脉冲信号。人们将矩形脉冲信号称为基本信号。在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输。263.4.2数字数据编码方法273.4.3脉冲编码调制方法PCM技术的典型应用是语音信号的数字化。28脉冲编码调制的工作过程：采样、量化与编码29图示：调制器、曼彻斯特编码器与PCM编码器的比较303.4.4比特率的定义数据传输速率在数值上，等于每秒钟传输的二进制比特数，单位为比特/秒，记做bps。对于二进制数据，数据传输速率为：S=1/T（bps）其中，T为发送每个比特所需要的时间。在实际应用中常用的数据传输速率单位：

311Mbps=1×106bps1Gbps=1×109bps1Tbps=1×1012bps3.4.5奈奎斯特准则与香农定理

奈奎斯特准则的基本内容：如果表示码元的窄脉冲信号以时间间隔为π/ω（ω=2πf）通过理想通信信道，则前后码元之间不产生相互串扰。根据奈奎斯特准则，二进制数据信号的最大数据传输速率Rmax与理想信道带宽B（单位Hz）的关系可以写为：

32Rmax=2·B（bps）香农定理的基本内容奈奎斯特定理描述了有限带宽、无噪声的理想信道的最大传输速率与信道带宽的关系。香农定理则描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。香农定理指出：在有随机热噪声的信道中传输数据信号时，传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系为：

式中，Rmax单位为bps，带宽B单位为Hz。33Rmax=B·log2（1+S/N）3.5多路复用技术3.5.1多路复用的基本概念34多路复用技术的分类时分多路复用（TDM）频分多路复用（FDM）波分多路复用（WDM）码分多址（CDMA）35频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧3.5.2时分多路复用:频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用可能会造成线路资源的浪费

aabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4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。

统计时分复用STDM

用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用3.5.3频分复用FDM

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

频率时间频率1频率2频率3频率4频率5

DEMUX

MUX

共享的传输信道载波频率f1调制调制载波频率fn载波频率f1解调解调载波频率fnf将不同频率的载波信号合成在一起使用一组滤波器分解出不同频率的载波信号频分多路复用举例1广播电台节目的发送与接收频分多路复用分路器(带通滤波器)信号发射信号接收常见广播电台使用的载波频率中波900KHz(南京经济台)■

中波1008KHz(南京新闻台)频分多路复用举例2电视节目的发送与接收频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)频道载波频率(MHz)187.755123.259230.25295.75

6206.2510238.253103.757214.2511246.254115.258222.2512254.25多路复用器解调器在天空中传输的电磁波电视信号发射器电视信号接收器电视节目调制器载波1电视图像及其伴音调制器载波2电视图像及其伴音调制器载波n电视图像及其伴音电视调谐器(分路器)3.5.4波分多路复用46

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm71550nm1551nm1552nm1553nm1554nm1555nm1556nm1557nm波分复用就是光的频分复用82.5Gb/s原来每个光载波的波长均为1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器掺铒光纤放大器图示：1310/8-通道CWDM模块

CWDM是一种面向城域网接入层的低成本WDM传输技术；稀疏波分复用器，也称粗波分复用器3.6同步光纤网SONET与同步数字体系SDH3.6.1SONET与SDH的基本概念早期时分多路复用（TDM）设备是专用的，并且各个运营商的TDM标准不同。1985年美国贝尔实验室首先提出了同步光纤网（SONET）的概念，解决光接口标准规范问题。ITU-T在SONET的基础上制定同步数字体系：（SDH）标准SDH标准不仅适用于光纤传输系统，也适用于微波与卫星传输体系。493.6.2基本速率标准的制定

T1载波速率

50T1=（193/125）×106=1.544（Mbps）E1载波速率E1标准是CCITT标准，它将30路数字语音信道和2路控制信道复用在一条通信线路。每个信道在一帧中插入8bit数据，这样一帧要传送的数据共（30+2）×8=256（bit）。传送一帧的时间为125μs。则E1载波的数据传输速率为：

E1=（256/125）×106=2.048（Mbps）513.6.3SDH速率体系52SDH速率体系OC定义的是光纤上传输的光信号速率。STS定义的是数字电路接口的电信号传输速率。STM标准是电话主干线路的数字信号速率标准。53OC、STS与STM速率对应关系传输速率（Mbps）OC级STS级STM级51.840OC-1STS-1155.520OC-3STS-3STM-1466.560OC-9STS-9622.080OC-12STS-12STM-4933.120OC-18STS-181244.160OC-24STS-24STM-81866.240OC-36STS-36STM-122483.320OC-48STS-48STM-169953.280OC-192STS-192STM-64543.7接入技术3.7.1接入技术的基本概念接入技术的类型55接入技术分类563.7.2ADSL接入技术《计算机网络》第3章物理层57ADSL带宽分配583.7.3HFC接入技术59HFC接入工作原理60HFC下行信道与上行信道频段的划分

HFC上行信道与下行信道