计算机网络理论与实践 课件 第2章 物理层

第二章

物理层

2.1数据通信的基础知识2.2传输媒体2.3同步光纤网与同步数字系列2.4实验2.5本章小结2.1.1数据通信系统模型

通信系统包括发送系统、传输系统和接收系统。（1）发送系统：包括信源和发送器。信源即产生数据的设备，比如计算机或者其他终端设备。对传输的数据进行编码的设备称为发送器，通常为调制解调器（Modem）。（2）传输系统：是传输数据时使用的通信通道，比如双绞线通信通道、光纤通信通道、微波通信通道和无线电波通信通道等。包括在通信过程中使用的中间设备，比如交换机、路由器等网络设备。2.1数据通信的基础知识（3）接收系统：包括接收器和信宿。接收器即进行信号译码的设备，通常为调制解调器，译码使用其中的解调功能。信宿即最终接收数据的终端设备，比如计算机等设备。信源发送器信宿接收器发送系统接收系统传输系统

通信系统模型2.1.2数据通信基本概念

数据通信的基本概念包括信息、数据、信号和信道。（1）信息（information):信息是数据经加工处理后得到的有意义的符号序列。（2）数据（data）：数据是信息的载体，分为模拟数据和数字数据。（3）信号：信号是数据的电子或电磁表现形式，分为模拟信号和数字信号。（4）信道：信道是通信双方以传输媒介为基础的传输信息的通道。2.1.3模拟信号数字化

计算机系统处理的是二进制比特0、1组成的数据，又称为基带信号。数据离开计算机进入通信信道后，以何种形式传输，与传输信道类型有密切关系。按传输信道中传输信号的类型，传输信道分为模拟信道和数字信道。数字信道传输数字信号，模拟信道传输模拟信号。计算机生成、接收、处理的信号即为数字信号。传统电话传输语音，通过电话线路传输的是模拟信号，比如打电话，模拟数据（声波）在经过电话机的话筒后，转变成连续变化的模拟电信号。模拟信号转换为数字信号，即模拟信号的数字化编码。

模拟数据数字化编码的常用方式是脉冲编码调制（PulseCodeModulation，PCM），它在卫星通信，数字微波通信、光纤通信等领域得到广泛应用。模拟信号数字化流程包括三个环节:（1）采样（Sample）：每隔一定的时间，把连续变化的模拟信号所对应的电平幅度值抽取出来，作为样本基数，再根据样本基数将原信号表示出来，这个过程称为采样。（2）量化（Quantizing）：即采样获得的样本幅度，依据量化级别进行取值的全过程，即取整。（3）编码（Encoding）：量化后，采样的样本用二进制码表示。

编码是将一种数字信号转换为另一种数字信号。调制需要载波，载波把基带信号的频率范围提升到较高频段，将数字信号转换成模拟信号。

常用的编码方式有归零码、不归零码、曼彻斯特、差分曼彻斯特编码。四种编码方式常用的调制方法有如下三种：(1)调幅(AM)：载波信号的振幅伴随着基带信号的变化而变化。有载波输出对应1，反之对应0。

（2）调频(FM)：载波信号的频率伴随着基带信号的变化而变化。0或1分别对应不同的频率。

（3）调相(PM)：载波信号的初始相位随基带信号的变化而变化。例如0或1分别对应相位0度或180度。

2.1.5信道的极限容量信道容量是衡量信道传输数字信号能力的重要指标，是单位时间内，理论上信道传输数据的最大值，单位是b/s。而信息传输速率表示信道的实际数据传输速率，两者关系上，信道容量>信息传输速率。信道容量与极限码元传输速率（码元/秒）有着直接的关系。所谓码元，即在使用时域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形，简单形象地理解，一个码元就是一个基本的脉冲信号。奈奎斯特（Nyquist）（简称奈氏）提出信道无噪声干扰的情况下，码元传输速率的最高值与信道带宽的关系，如下式子：B=2×W其中，W为信道带宽，即信道可以通过信号的频率范围，单位是Hz。由此给出表示信道传输数据能力的奈奎斯特公式：C=2×W×log2N例:假定某信道受奈氏准则的制约最高码元速率为10000码元/秒。如果采用调幅方式，把码元的振幅划分为8个等级来传送，可以获得多高的数据率？解答：可以用3个二进制数字来表示8个不同等级的振幅。这8个等级表示为000、001、010、011、100、101、110、111。一个码元可以表示3个比特。所以当码元速率为10000码元/秒时，真正的信息数据率是3倍的码元速率，即30000bit/s。1948年，信息论创始人香农（Shannon）在奈奎斯特的工作基础上，把奈奎斯特提出的无噪声干扰信道的传输容量，扩展到受噪声干扰情况下，信道的极限信息传输速率，即香农公式:

其中，W为信道带宽(以Hz为单位）；S为信道内传输信号的平均功率；N为信道内部高斯噪声功率；S/N为信噪比，单位为分贝；C为信道的极限信息传输速率。

如果信道频带宽度已确定，信噪比也无法再提高，码元传输速率已达上限，要想进一步提高信息的传输速率，可通过编码的办法让每一个码元携带更多比特的信息量。2.1.6信道复技术用

数据通信中，物理信道能提供的通信资源往往远大于通信双方的实际需求，采用多路复用技术来提高通信能力。将一条物理信道进一步划分为若干逻辑信道，同时传输多路信号，为多对用户提供服务，接收方和发送方在接收发送信号时互不干扰，更有效地利用了传输媒介，提高了通信效率。

多路复用技术包括：频分复用、时分复用、波分复用和码分复用。

（1）频分复用（FrequencyDivisionMultiplexing，FDM）：频分复用是将一条物理信道的总带宽划分成若干频带宽度，每条频带宽度形成一条逻辑信道。（2）时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM）：将共享信道的占用时间，划分成等长时间片，轮流供不同信道使用。（3）波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）：对于光纤信道，习惯用波长代替频率表示光载波。不同信道在不同波长的子信道中传输数据。通过波分复用技术，使得在单根光纤上传输单一光载波的光信道，变为能够同时传送多路不同波长光载波的光信道，大幅提升光纤的传输能力。波分复用是光的频分复用。（4）码分复用（CodeDivisionMultiplexing，CDM）：码分复用主要用于无线网络、移动通信等领域。使用码分复用技术，不再将信道划分成若干子频带，也不用将信道使用时间分为若干短时间片。每个信道在相同时间，占用相同频带进行通信。码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址（CodeDivisionMultipleAccess，CDMA）。不同用户以不同码型通信，用户之间不会干扰。

在CDMA中，将一个比特时间划分成m个短的间隔，称之为码片（chip）。m的值一般为64位或128位。为CDMA的每个站点分配m比特的码片序列（ChipSequence），当该站点发送比特1时发送码片序列本身，当该站点发送比特0时，发送该站点码片序列的二进制反码。比如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。在S站发送比特1时，它就发送序列00011011，而S站在发送比特0时，发送11100100。CDMA为每个站分配的码片序列不但都不相同，而且不同站的码片序列还必须互相正交（orthogonal）。在实用的系统中使用的是伪随机码序列。设向量S表示站S的码片向量，T表示其他站点的码片向量。两个不同站的码片序列正交，是指向量S与T的规格化内积（InnerProduct）都为0。将码片序列表示成向量的形式即码片向量，用-1表示码片序列中的0，+1表示码片序列中的1。

例如：给S站分配的码片序列是00011011，将该码片序列表示成向量S为(-1-1-1+1+1-1+1+1)，同时设T站的码片序列为00101110，其对应的码片向量T为（-1-1+1-1+1+1+1-1）。这两个码片序列是正交的。不仅如此，向量S与各站码片反码的向量内积也为0。另外，任何一个码片向量和该码片向量的规格化内积都是1。而一个码片向量和其码片反码的向量规格化内积为-1。

当接收方从多个用户复用的信道中接收数据时，该数据实际为多个用户发送的码片序列，及码片序列反码的叠加。从叠加的信号中区分开不同的用户发送的数据，需要将其与相应站点的码片序列做内积即可。2.1.7数据通信方式

数据通信方式有三种：单向通信、双向交替通信和双向同时通信。（1）单向通信：又称单工通信，即发送方与接收方之间是一条单向通信信道，数据只能沿一个方向传输。（2）双向交替通信：又称半双工通信。指数据信号可在两个方向传输，通信双方都可以发送数据，但在某一个时刻数据仅能沿一个方向传输，即发送方发送数据时，接收方只能接收，反之亦然。（3）双向同时通信：又称全双工通信，指同时可在两个方向上传输数据。2.1.8数据交换技术

计算机网络中，数据从源站到目的站，要经过中间节点（如交换机、路由器等）的转发才能实现。这种转发过程就是数据交换过程。从通信资源分配的角度看，交换的本质是按照某种方式动态分配传输线路资源。

常见的数据交换方式有电路交换和存储交换，存储交换又分为报文交换和分组交换。电路交换是传统电话网络使用的数据交换技术。完整的电路交换过程分为如下三个阶段。（1）连接建立。（2）连接占用。（3）连接释放。

报文交换是电报系统使用的数据交换技术。把要发送的整块数据称为一个报文。报文交换采用存储转发的方式，当数据到达中间节点后，中间节点将传输的整块数据报文完整地存储下来，再交给下一个节点转发。

分组交换与报文交换类似采用存储转发方式，但与报文交换有很大区别。分组交换是将一个完整报文分成若干个短报文段（分组），每个报文段都携带报文控制信息（比如目的站点的IP地址、该分组在原始报文中的相对位置等），每个分组可以独自在网络中，沿不同路径传输。传输到目的站后，只需要根据报文控制信息，将之前分成的一个个短报文段组合、还原即可。三种数据交换方式2.2传输媒体

传输媒体也称传输介质或传输媒介，它是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通道。传输媒体分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体（“导引型”的英文是guided，也可翻译为“导向传输媒体”）。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿固体媒体（铜缆或光缆）传播；非导引型传输媒体是指在自由空间中电磁波的传输，即无线传输。

双绞线电缆（TwistedPairwire，TP）是网络通信中常见的导引型传输媒体，比如平常使用的网线，也称为对称双绞电缆、双扭绞线电缆或者平衡电缆。2.2.1双绞线电缆双绞线电缆分类：（1）按双绞线电缆是否包裹有金属屏蔽层分类，双绞线电缆分为非屏蔽双绞线电缆和屏蔽双绞线电缆。（2）按双绞线电缆性能（带宽）指标分类：双绞线电缆分为1类、2类、3类、5类、6类、7类、8类双绞线电缆。（3）按双绞线电缆特征阻抗（是一种双绞线电气性能指标）分类：有100欧姆、120欧姆、150欧姆等几种。（4）按双绞线电缆所包含的双绞线对数分类：有电话通信中常用的1对、2对双绞线电缆。计算机网络通信常用的是4对，以及25对、50对、100对等大对数双绞线电缆。双绞线的电气性能指标：（1）特征阻抗：指额定频率下正常工作的链路，应具备的电阻值。（2）直流环路电阻：在20~30℃的环境下，直流环路电阻不超过30欧姆。（3）衰减：指信号在链路中传输一段距离后功率的损耗，单位是分贝（dB）。（4）近端串音：链路中发送线缆的一侧，对同侧的相邻线对，由于电磁感应造成的信号耦合。（5）近端串音功率和（PowerSumNEXT，PSNEXT）：指在4对对绞电缆一侧测量3对相邻线对，对第4对线缆近端串扰的总和（所有近端干扰信号同时工作时，在接收线对上形成的组合串扰）。（6）衰减串音比值（Attenuation-to-CrosstalkRatio，ACR）：指在相邻发送信号线对的串扰线对上，其串扰损耗与本线对传输信号衰减值的差值。（7）远端串扰（FarEndCrossTalk，FEXT）：与近端串扰对应，远端串扰是信号从本端（近端）发出，然后在链路的另一端（远端），发送信号的线对和它的相邻线对由于电磁耦合而造成的串扰。（8）等电平远端串音（EqualLevelFEXT，ELFEXT)：某线对上的远端串扰损耗值与本线对上传输信号衰减之间的差值。（9）等电平远端串音功率和（PowerSumELFEXT，PSELFEXT）：4对双绞电缆同一侧测量3对相邻线对，对第4对线的远端串扰总和。（10）回波损耗（ReturnLoss，RL）：由于链路或信道特性阻抗值偏离标准值，导致功率反射引起的损耗。（11）传播时延：指信号从链路或信道一端传播到另一端所经历的时间。（12）传播时延偏差：是指以同一缆线中信号传播时延最小的线对作为参考，其余线对与参考线对时延的差值。（13）插入损耗：是指发射机与接收机之间由于插入电缆或某些元器件而产生的信号的损耗。

2.2.2同轴电缆

传统的有线电视又称为闭路电视，传输媒体使用的是同轴电缆。其组成由内向外依次为：铜芯导体（单股实心铜线或多股绞合铜线）、发泡PE层、组织屏蔽层和PVC外护套层。2.2.3光缆

从20世纪70年代至今，计算机和通信技术发展异常迅猛。据统计，计算机的运行速度大约每10年提高10倍。在通信领域，信息传输的速率则提高得更快，从20世纪70年代的56Kbit/s（使用铜线）提高到现在的数百Gbit/s（使用光纤），并且这个速率还在不断提高。所以光纤通信已经成为现代通信技术中的一个十分重要的领域。

光纤即光导纤维的简称，光导纤维是一种质地非常纤细并且非常柔韧的介质，它可以是一根玻璃丝或塑胶纤维。光纤非常细，连包层一起的直径也不到0.2mm，因此需要将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则包含数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其物理强度。按制作光纤的材料可以分为：玻璃光纤、胶套硅光纤以及塑料光纤。（1）玻璃光纤（又称为石英系光纤）：纤芯和包层都是玻璃，特点是传输过程中损耗较小、传输距离较长、成本也较高。（2）胶套硅光纤（又称为塑料包层石英芯光纤）：纤芯的材料是玻璃，包层的材料是塑料，特点是损耗小、传输距离长、成本较低。（3）塑料光纤：纤芯与包层的材料都是塑料（高度透明的聚苯乙烯或甲基丙酸甲酯），生产成本低，芯径较大，与光源的耦合效率高（能够进入光纤中传播的光功率大），使用方便。但是这种光纤损耗大，带宽较小，因此它只适用于短距离的低速通信、价格是三种光纤中最低的。塑料光纤可以应用于短距离的计算机网络通信、船舶内通信、家电的图像传输等。

按光在光纤中的传输模式可分为：多模光纤和单模光纤。

多模光纤（MultiModeFiber，MMF）：多模光纤可以传输多种模式的光。这里的“模”是指光纤中一种电磁场场型结构分布形式，是指以一定入射角角度进入光纤的一束光。多模光纤一般采用发光二极管作为光源，它允许多束光在光纤中同时传输，会形成模分散（光线之间的干扰），模分散限制了多模光纤的带宽和传输距离，

单模光纤（SingleModeFiber，SMF）：一般采用昂贵的半导体激光器作为光源，不使用较便宜的发光二极管，此时入射光的模样为圆光斑，射出端仍能观察到圆光斑，即单模光纤只允许一束光传输（一种模式的光），没有模分散特性，损耗小。按光纤横截面上的折射率分布，可以分为均匀光纤和非均匀光纤两种。（1）均匀光纤：光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2都是一个常数，且n1>n2，即纤芯折射率高于包层折射率，使得光可以在纤芯和包层的交界面处，不断产生全反射，向前传输。（2）非均匀光纤：光纤的纤芯折射率n1随着半径的增加按一定规律减小，到纤芯与包层的交界处时，减少为包层的折射率n2，纤芯中折射率的变化呈现近似抛物线形状。这种光纤称之为非均匀光纤，又称为渐变型光纤。按光纤的工作波长分类，有短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。短波长光纤是指波长为800~900nm的光纤；长波长光纤是指1000~1700nm的光纤；超长波光纤是指2000nm以上的光纤。与铜缆相比，光纤通信系统优点主要有：（1）光纤通信带宽大。（2）光纤损耗低，衰减小，中继距离长，传输距离远。（3）光纤不受电磁场和电磁辐射影响，完全电磁绝缘，抗干扰能力非常强，保密性好，不易被窃听，安全性高。（4）光纤线径细，重量轻。（5）光纤抗化学腐蚀能力强，适用特殊环境下的布线。（6）光纤不传输电信号，使用安全，可用于易燃、易爆等场合。与铜缆相比，光纤的缺点主要有：（1）初始投入成本比铜缆高；（2）光纤连接器比铜缆连接器相对易坏；（3）端接光纤需要掌握更高的技能和复杂的设备比如对光纤熔接机的操作。

影响光纤的传输性能的因素主要有光源与光纤的耦合程度、光纤的数值孔径、光纤损耗、光纤的模式带宽、光纤的色散和截止波长。2.2.4无线传输无线传输不需要金属或玻璃纤维作为传输媒体，无须敷设电缆或光缆。无线传输通过大气传输。常见无线传输方式有无线电波、微波、卫星通信、红外线、激光等。1.无线电波

无线电波是无线网络中主要的传输媒体。无线电波传输距离远，易于穿越障碍物，传播角度广。2.微波微波频率范围为300MHz~200GHz，主要使用2GHz~40GHz频率。微波与无线电波不同，微波沿直线传播，而地球表面是曲线，传输距离会受限制，一般为30~50km。3.卫星通信

卫星通信是微波通信的一种特殊形式，使用距离地面36000km地球同步卫星为中继站。克服了微波通信中的距离限制，在地球赤道上空的同步轨道等距离放置3颗人造卫星可将整个地球覆盖。卫星通信的带宽比微波接力通信更宽，通信容量更大，信号受干扰的程度更小，误码率更低，通信更加稳定。2.3同步光纤网与同步数字系列早期数字传输系统有两个主要的缺点：（1）速率无统一标准。比如北美和日本的T1速率为1.544Mbit/s和欧洲的E1速率为2.048Mbit/s。基于光纤的数据传输在国际范围内难以实现。（2）非同步传输。为了降低传输成本，在过去相当长的一段时间内，各国数字网络主要采用的是准同步传输方式。这种准同步系统中，各支路信号的时钟频率会有偏差，这样给复用和分用带来麻烦。在高速率数据传输时，发送方和接收方的时钟同步问题难以解决。

为了解决上述问题，美国在1988年制定出数字传输标准，即同步光纤网（SynchronousOpticalNetwork，SONET）。

整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精