第二讲 物理层

计算机网络及应用第2章物理层曹浪财主讲langcai@Tel:189592048702.1.1物理层的概念物理层是为上层提供透明的比特流传输物理层是所有分层模型的最底层，主要实现在传输介质上透明传输由0和1组成的比特流，使物理层的上层（数据链路层）感觉不到这些差异的存在。物理层需要解决以下的问题：1）实现位操作：保障由0和1组成的数字比特流的正确发出、传送和接收；2）数据信号的传输：传输方式、速率、持续时间、失真3）接口规范4）信号传输规程物理层链路层帧bit2.1物理层的基本概念（书2.1，掌握）2.1.2物理层的特性

可以将物理层的主要任务描述为与接口有关的4个特性

1.机械特性

(1)接口的形状、大小。

(2)接口引脚的个数、功能、规格，以及引脚的分布。

(3)相应传输介质的参数和特性。2．电气特性

电气特性规定了线路连接方式、适用元件、传输速率、信号电平、电缆长度和阻抗以及信号的同步等。例如，位信号1和0的电压的大小和1比特占多少微秒(RS232:-3~-15V表示1，高于+3~15V表示0），

(1)信号产生：如何将0和1转换成信号，其中包括各种调制和解调方式。

(2)传输速率：对系统中数据的传输速率和调制速率进行测算。

(3)信号传输：调制、解调，失真控制

(4)编码：10111100111111101

头

数据校验码3.功能特性（RS232）

确定物理接口中每条线路的用途。4.过程特性

接口进行传输比特流的全过程以及事件发生的可能顺序，它涉及信号传输方式：

(1)接口。接口与传输过程以及传输过程中各事件执行的顺序有关。

(2)传输方式。主要包括单工、半双工和全双工。

(3)传输过程及事件发生执行的先后顺序。

RS232的过程特性

当计算机加电时，它就将第20针设置为逻辑1(-3V）

当调制解调器加电时，它将第6针设置为逻辑l，

当调制解调器检测到电话线上的载波时，第8针置1。

计算机第4针置1，请求发送数据；

调制解调器第5针置1，表明调制解调器准备好接收数据。计算机通过发送电路(第2针)发送数据；

调制解调器在接收电路(第3针)上接收数据。

2.2数据通信的基础知识（书2.2，掌握）

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机几个术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。“模拟的”(analogous)——代表信息的参数的取值是连续的。“数字的”(digital)——代表信息的参数的取值是离散的。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。几个术语信道(channel)——通信双方以传输介质为基础的信号传递通道。从微观上讲，信道是指信号在通过传输介质时所占用的一段频带。模拟信道和数字信道数字通信与模拟通信第11页信息通过数据通信系统的传输过程把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地信息和数据（二进制位）不能直接在信道上传输编码：数据→适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错调制：数字信号→适合传输的形式——按频率、幅度、相位解调：接收波形→数字信号解码：数字信号→原始数据信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息数据编码调制解调数据解码01000001‘A’01000001‘A’信道2.2.2数据传输单向通信（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。2.2.2数据传输

在通信过程中，发送方和接收方必须在时间上保持一致才能准确地传输数据，这就叫做同步。在传送由多个码元组成的字符，或由多个字符组成的数据块时，通信双方也要就信号的起、止时间取得一致，这种同步对应了两种传输方式：同步传输和异步传输。同步传输(synchronoustransmission)——也称同步通信，它采用的是位同步(以固定的时钟频率来串行发送数字信号)技术；同步传输技术又分为外同步和自同步两种。异步传输(asynchronoustransmission)——也称异步通信，它采用的是“群”同步的技术。第14页位同步：目的是使接收端接收的每一位信息都与发送端保持同步，2种同步方法：外同步——发送端发送数据之前发送同步脉冲信号，接收方用接收到的同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。自同步——通过特殊编码（如曼彻斯特编码），使数据编码信号中包含同步信号，接收方从数据编码信号提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率。异步传输：数据被分成不同的群，接收端通过识别起始位和停止位来接收数据，群内的数据一般不再带同步信息。第16页字符同步：找到正确的字符边界。常用的为起止式（异步式）。在这种方式中，每个字符的传输需要：1个起始位、5～8个数据位、1、1.5或2个停止位采用这种同步方式的通信也称“异步通信”。起止式的优缺点：频率的漂移不会积累，每个字符开始时都会重新获得同步；每两个字符之间的间隔时间不固定；增加了辅助位，所以传输效率低；例如，采用1个起始位、8个数据位、2个停止位时，其传输效率为8/11≈73％起始位数据位停止位字符间隔不固定1个字符时间逻辑“0”逻辑“1”第17页帧同步：识别一个帧的起始和结束。帧（Frame）：数据链路中的传输单位——包含数据和控制信息的数据块面向字符的——以同步字符（SYN，16H）来标识一个帧的开始，适用于数据为字符类型的帧面向比特的——以特殊位序列（7EH，即01111110）来标识一个帧的开始，适用于任意数据类型的帧帧起始控制信息数据帧结束校验和0–nbit8bit8bit8-32m7EH7EH基带传输数字数据（如数字图像）使用数字传输信号进行传输即基带传输。基带传输一般使用了传输媒体的整个频带范围。频带传输数字数据利用模拟信道的一段频带进行传输，必须先将数字数据转换为模拟信号再进行传输。调制：数字数据模拟化解调：模拟信号还原为原来的数字数据

调制就是用基带脉冲对载波波形（正弦波e=Asin(ωt+φ））某个参数进行控制，形成适合于线路传送的信号。当已调制信号到达接收端时，再进行解调，即将经过调制器变换过的模拟信号去掉载波恢复成原来的基带数字信号。一、数字数据模拟化最基本的调制方法有：e=Asin(ωt+φ）

(1)调幅(AM)，即载波的振幅A随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。(2)调频(FM)，即载波的频率ω随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率为f1或f2。(3)调相(PM)，即载波的初始相位φ随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。正交振幅调制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r(r,)可供选择的相位有12种，而对于每一种相位有1或2种振幅可供选择。由于4bit编码共有16种不同的组合，因此这16个点中的每个点可对应于一种4bit的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。举例第21页二、模拟数据数字化

（脉冲代码调制，PulseCodeModulation，PCM)采样定理：如果模拟信号的最高频率为F，若以2F的采样频率对其采样，则采样得到的离散信号序列就能完整地恢复出原始信号。要转换的模拟数据主要是电话语音信号语音信号要在数字线路上传输，必须将语音信号转换成数字信号。这需要经过三个步骤：采样：按一定间隔对语音信号进行采样量化：对每个样本舍入到量化级别上编码：对每个舍入后的样本进行编码编码后的信号称为PCM信号(脉码调制,PulseCodedModulation)第22页话音信道带宽<4kHz采样时钟频率：8kHz(>2倍话音最大频率)量化级数：256级(用8位二进制码表示)数据率：8000次/s*8bit=64kbit/s每路PCM信号的速率=64000bit/s模拟话音采样时钟PCM信号采样电路量化和编码

数字化声音f<4kHzfs=8kHz第23页PCM转换过程举例

语音信号011100011011001100

PCM输出343314011100011011001100

PCM脉冲（有量化误差）

PAM脉冲第24页三、数字数据变换为数字信号

（在书3.3.2节详细讲以太网使用的曼彻斯特(Manchester)编码等）编码的目的：提高抗燥性.有利于接收端区分传输的数字数据0和1定时性,方便地实现传输信号的同步,不必额外再加专用的同步时钟信号线采用合理的编码方式,可以充分利用信道的传输能力,达到更高的信息传输速率.编码的成本不同编码的类型总结2.2.3信道特性任何正常的周期为T的函数，都可以由无限个正弦和余弦函数合成。信道对不同的傅立叶分量sin(2nPai）的衰减程度不同。频率从0到fc(以Hz为单位)范围内的谐波在传输过程中无衰减，而在此截止频率以上的所有谐波在传输过程中衰减极大。只有当信道的带宽大于被传送的信号带宽时，信号才能顺利地通过举例：一个正弦信号表示为正弦sin(2nπ)的组合,n最小301,最大500，问这个信号的带宽为多少Hz？一个数字脉冲称为一个码元，码元速率：单位时间内信道所传输的码元个数(脉冲数)，记为B（波特率）。码元的宽度T（传输一个码元需要的时间，周期）为T=1/B。举例：

B=10（波特）表示在一秒钟内传送10个信号(码元)，则周期T=1/B=1/10,表示发送每个信号要1/10秒信号传输速率：指每秒能传送多少脉冲数，度量信号的传送速度数据传输速率是指每秒能传送多少比特数，度量数据的传送速度1个码元所携带的信息量n(bit)与码元所取的离散值M之间的关系为：

n=log2M数据速率:

R=B*n=B*log2M

从上公式提示，如何提高数据速率？2.奈奎斯特定理如果理想低通信道的带宽为W(能顺利通过的最大频率正弦波），则最大码元速率Bmax=2W例：设信道的带宽为300Hz[即sin(2π*300)]，则每秒钟最多只能发送600次信号。问：若码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值，会出现什么情况？从奈奎斯特定理可以得到最大数据传输速率：C

=

Bmax

*n

=Bmax

*log2M

问：如何提高最大数据传输速率？3.香农定理实际信道是存在噪声的，S表示信号功率，N表示噪声功率，S/N表示信噪比，则最大数据传输率满足香农定理：

C=Wlog2(1+S/N)注意信噪比的单位为分贝（10log10S/N),即20分贝代表S/N=102信噪比的测量方法：例：一条带宽为400Hz，信噪比为30dB的信道，最大的数据传输率为

C=400*log2(1+103)=C=400*log2(1001)=400*10=4000（bit/s）问：对于频带宽度W已确定的信道，如果信噪比S/N不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有什么办法提高信息的传输速率呢？信道功率电平S噪声功率N现在我们再举一个例子：设信道带宽为3000Hz，被传信号电平分为16级。若信道是无噪音的，按奈奎斯特定理

C=2Wlog2V计算，其传送速率决不能高于24000bit/s。当带宽给定后，巧妙的编码方法能实现在单位时间内传输更多的数据位若信道是有噪音的，信噪比为1000，那么，按照香农定理C=Wlog2(1+S/N)计算，不管使用多少级电平，采用多大的采样频率，决不能以大于3000*log2(1+1000)=30000bit/s的速率传送数据。然而这仅仅是个上限，现实系统很难达到这个上限。不存在任何巧妙的编码方法使得最大数据传输率可以突破物理系统的根本限制???2.3传输介质(书2.3，了解）传输介质——数据传输系统中在发送器和接收器中间的物理通路分为：导向传输媒体非导向传输媒体2.3.1导向传输媒体双绞线屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)

同轴电缆50

同轴电缆75

同轴电缆光缆第33页双绞线内导体芯线绝缘内屏蔽外屏蔽外套--螺旋绞合的双导线，≈1mm--每根4对、25对、1800对--典型连接距离100m（LAN）--RJ45插座、插头--优缺点：成本低组装密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离短应用领域：电话网络、计算机局域网第34页屏蔽双绞线(STP)非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少干扰和串音双绞线外无任何屏蔽层常用的双绞线为3类(16Mbit/s)

和5类(155Mbit/s)两种双绞线的连接标准色彩标记和连接方法：交叉线：交换机-交换机、PC-PC、HUB-HUB(标准端口)直连线：PC/路由器-交换机/HUB、HUB-HUB(级连端口)线对色彩码1白蓝，蓝2白橙，橙3白绿，绿4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉线EIA-568B直连线EIA-568A第36页同轴电缆（CoaxialCable）计算机网络中使用基带同轴电缆阻抗50，有粗同轴和细同轴两种应用：总线局域网（以太网）性能：10Mb/s，500米/185米铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套第37页细同轴D=1.02cm，10Mbit/s每段185m、4中继、5段（925m）优缺点：价格低安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）抗干扰能力较强可靠性差粗同轴D=2.54cm，10Mbit/s每段500m、4中继、5段（2500m）优缺点：价格稍高安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）抗干扰能力强连接距离中等可靠性好

第38页光纤（OpticalFiber）依靠光波承载数据，光脉冲在玻璃纤维中传播优缺点：传输带宽高：仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好、误码率低，保密性好轻便价格较高需要光电转换纤芯材料：塑料二氧化硅

（高纯玻璃）第39页光纤传输原理——光的反射光从折射率高的介质入射到折射率低的介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。纤芯-折射率高，玻璃包层-折射率低亮度调制：有光脉冲-1，无光脉冲-0光传输系统：光源、介质、光检测光源：850nm/1300nm/1500nm，发光二极管/激光二极管光检测器：光电二极管PIN/雪崩二极管APD单向传输，双向需两根光纤应用领域：局域网主干、电信网络、服务器连接第40页多模光纤(MMF)单模光纤(SMF)：光纤的直径接近一个光波波长多束光线以不同的反射角传播激光器包层，折射率低纤芯，折射率高亮度调制光检波器激光器光检波器单束光线沿直线传播第41页典型的光缆单芯光缆多芯光缆玻璃封套塑料外套玻璃内芯玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳常见规格：纤芯——50um缓变型-MMF62.5um缓变型/增强型-MMF8.3um突变型-SMF

包层——125um第42页高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束2.3.2非导向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第45页常用传输介质的比较传输介质传输方式速率/工作频带传输距离性能价格应用双绞线宽带基带≤1Gb/s模拟:10km数字:500m较好低模拟/数字信号传输50Ω同轴电缆基带10Mb/s<3km较好较低基带数字信号75Ω同轴电缆宽带≤450MHz100km较好较低模拟电视、数据及音频光纤基带40Gb/s20km以上很好较高远距离高速数据传输微波宽带4-6GHz几百km好中等远程通信卫星宽带1-10GHz18000km很好高远程通信共享信道2.4信道复用技术（书2.4掌握）

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。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2复用分用(a)不使用复用技术(b)使用复用技术频分复用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)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（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。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。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帧时分复用频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧时分复用频率时间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。统计时分复用

STDM

(StatisticTDM)用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.3波分复用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分复用就是光的频分复用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器2.4.4码分复用CDM也称码分多址CDMA。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，各用户之间不会造成干扰，其频谱类似于白噪声，不易被发现。CDMA原理：1)每一个通讯站都被指派一个唯一的mbit码片序列，设m为8；例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011，按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1。因此：S站的码片序列为Sm(-1-1-1+1+1-1+1+1)

我们再设T站的码片序列为Tm(-1-1+1-1+1+1+1-1)注意：2)一个站如果要发送比特1，则发送它自己的mbit码片序列Sm。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码S-m3)设S站与T站都要同时发送的数据是110三个码元，则：S站发送的扩频信号为S=Sm

Sm

S-m

,

T站发送的扩频信号T=Tm

Tm

T-m

。每一个站都能够收到所有的站发送的扩频信号,都是叠加的信号S+T4)接收站接收到叠加的信号S+T，如果要检测出S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的信号求规格化内积：

S·(S+T)=S·S+S·T=S·(Sm

Sm

S-m)+S·(Tm

Tm

T-m)=(+1+1-1)+(000)2.4.5PDH与SDH（书2.5，了解）网同步准同步主从同步两类PDH系列：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.同步光纤网SONET和

同步数字系列SDH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。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。

同步光纤网SONET同步光纤网

SONET(SynchronousOpticalNetwork)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(SynchronousTransportSignal)的传输速率是51.84Mb/s。光信号则称为第1级光载波

OC-1，OC表示OpticalCarrier。

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。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。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-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-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2.5接入技术

（书2.6节，了解）接入技术关系到如何将成千上万计算机或移动终端设备接入Internet。从实现技术的角度来看，接入技术主要有：数字用户线技术、光纤同轴电缆混合网技术、光纤接入技术、无线接入技术与局域网接入技术。无线接入又可以分为：无线局域网接入、无线城域网接入、无线自组网与移动通信网接入。2.5.1xDSL技术xDSL(xDigitalSubscriberLine)技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，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。其中非对称数字用户线ADSL技术很快就在家庭计算机联网中得到了广泛的应用。ADSL技术的特点

(1)ADSL在电话线上同时提供电话与Internet接入服务ADSL可以在现有的用户电话线上通过传统