第二章物理層

1主講：孔廣黔E-mail:csc.gqkong@計算機網(wǎng)絡

computernetworks2第二章物理層內(nèi)容提要物理層的基本概念數(shù)據(jù)通信的基礎知識傳輸媒體信道復用技術(shù)3物理層基本服務功能物理層設計時主要考慮的是如何在連接開放系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)上傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流；計算機網(wǎng)絡可以利用的物理傳輸介質(zhì)與傳輸設備存在著很大的差異，設計物理層的主要目的是向數(shù)據(jù)鏈路層屏蔽通信技術(shù)的差異性；數(shù)據(jù)鏈路實體通過與物理層的接口，將數(shù)據(jù)傳送給物理層，通過物理層按比特流的順序，將信號傳輸?shù)搅硪粋€數(shù)據(jù)鏈路實體。

4物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務

物理連接的建立、維護與釋放；物理連接分為點-點連接與多點連接或廣播連接；數(shù)據(jù)傳輸分為全雙工、半雙工與單工方式；數(shù)據(jù)傳輸分為串行傳輸方式與并行傳輸方式；串行傳輸方式的物理數(shù)據(jù)服務單元是位；并行傳輸方式的物理數(shù)據(jù)服務單元是N位，N為并行連接的物理通道數(shù)。5物理層特性物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。過程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。6內(nèi)容提要物理層的基本概念數(shù)據(jù)通信的基礎知識傳輸媒體信道復用技術(shù)數(shù)字傳輸系統(tǒng)7數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型8傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號輸出數(shù)據(jù)源點終點發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號模擬信號正文正文數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機單工、半雙工與全雙工通信9單工通信——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。單工、半雙工與全雙工通信10半雙工通信——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。單工、半雙工與全雙工通信11全雙工通信——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。1）鏈路具有兩條物理上獨立的傳輸線路，或2）將帶寬一分為二，分別用于不同方向的信號傳輸12基帶(baseband)信號基帶信號（即基本頻帶信號）——來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調(diào)制(modulation)。13幾種最基本的調(diào)制方法最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。

對基帶數(shù)字信號的幾種調(diào)制方法010011100基帶信號調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相信道容量信道：發(fā)送器和接收器之間用以傳輸信號的媒介或途徑信道容量：給定通信路徑或信道上的數(shù)據(jù)傳送速率15信道的最高碼元傳輸速率任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。16數(shù)字信號通過實際的信道失真不嚴重失真嚴重17實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴重)奈氏(Nyquist)準則每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒

2

個碼元。Baud是波特，是碼元傳輸速率的單位，1波特為每秒傳送1個碼元。18理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaudW是理想低通信道的帶寬，單位為赫(Hz)不能通過能通過0頻率(Hz)W(Hz)奈氏(Nyquist)準則實際的信道所能傳輸?shù)淖罡叽a元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€碼元）。碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。比特是信息量的單位(bps，b/s)。

19波特率與比特率的關(guān)系1Baud=（log2M）bps其中，M表示離散性信號或電平的個數(shù)；一個信號往往可以攜帶多個二進制位，所以在固定的信息傳輸速率下，比特率往往大于波特率。換句話說，一個碼元中可以傳送多個比特（bit）20信道的極限信息傳輸速率香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)

21香農(nóng)公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。22例假設一個音頻電話線路支持的頻率范圍為300Hz到3400Hz，其信噪比是25dB，試求這個線路傳輸速率的上限23解：由題可知，這條線路的帶寬為：W=3400-300=3100(Hz)又因為信噪比為25dB，故由公式：(S/N)db=10log10(S/N)可得S/N=102.5=316由香農(nóng)公式可得：C=3100log2(1+316)=25761(b/s)內(nèi)容提要物理層的基本概念數(shù)據(jù)通信的基礎知識傳輸媒體信道復用技術(shù)數(shù)字傳輸系統(tǒng)24物理層下面的傳輸媒體25無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波

調(diào)幅無線電

調(diào)頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜傳輸媒體（傳輸介質(zhì)）傳輸介質(zhì)可以分為有線和無線傳輸介質(zhì)在有線介質(zhì)中，電磁波沿著物理通路呈導向性傳播無線介質(zhì)可以傳播電磁波，但并不為它們導向有線介質(zhì)有：雙絞線、同軸電纜、光纖等無線介質(zhì)一般指自由空間（大氣、真空）26雙絞線非屏蔽雙絞線(UTP)屏蔽雙絞線(STP)27非屏蔽雙絞線（UTP）由4對雙絞線和一層塑料護套構(gòu)成完全依靠雙絞線對產(chǎn)生的消除效果來限制由電磁干擾和無線電頻率干擾而引起的信號退化非屏蔽雙絞線必須遵守關(guān)于每英尺允許有多少次的絞合或交織的規(guī)定EIA為非屏蔽雙絞線定義了六種不同的質(zhì)量類別，常用的有3類、4類和5類優(yōu)點：1、容易安裝且比其它類型的網(wǎng)絡介質(zhì)便宜；2、尺寸較小，節(jié)省空間；缺點：1、易受電磁信號干擾；2、傳輸距離短2829屏蔽雙絞線（STP）屏蔽雙絞線結(jié)合了屏蔽技術(shù)和消除技術(shù)4對線纜全由金屬薄片包圍著優(yōu)點：屏蔽雙絞線能對所有類型的外界干擾更有效地進行阻止缺點：在安裝費用和難度方面，它比非屏蔽雙絞線要昂貴和更困難3031RJ45連接器32RJ-45連接器188Pair4R41234567線對T是火線R是零線Pair2T2Pair2R2Pair3T3Pair1R1Pair1T1Pair3R3Pair4T4管腳直通電纜33電纜兩端線序相同管腳標識1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC10BaseT/

100BaseT直接連接管腳標識1 TD+2 TD-3 RD+4 NC5 NC6 RD-7 NC8 NC服務器/路由器18直通電纜8集線器/交換機1交叉電纜34

電纜兩端部分線交叉10BaseT/

100BaseT交叉連接管腳標識1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC管腳標識1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC交叉電纜集線器/交換機集線器/交換機1818用交叉電纜連接兩臺計算機351、制作網(wǎng)線一端的RJ45頭1、3線交換，2、6線交換，另一端不變制作工具：剝線鉗、壓線鉗2、設置TCP/IP每臺計算機的IP地址都不能相同，如第一臺計算機為子網(wǎng)掩碼為。第二臺計算機的IP地址為，子網(wǎng)掩碼為。3、對線路進行通斷測試硬件測試方法：使用RJ-45測線儀軟件測試方法：使用Ping命令，如C>ping用直通電纜連接計算機和Hub36使用直通電纜，電纜兩端RJ45頭線序一致其它設置方法與前面相同集線器（hub）同軸電纜結(jié)構(gòu)：內(nèi)導體、絕緣材料、外導體（屏蔽層）、保護套基帶同軸電纜(50)、寬帶同軸電纜(75)粗纜連接距離長，可靠性高但安裝難度大，造價高細纜安裝較簡單，造價也低，但需切斷電纜安裝網(wǎng)絡連接頭BNC，當接頭多時容易產(chǎn)生接觸不良的現(xiàn)象37外導體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內(nèi)導體同軸電纜的連接器T型連接頭BNC連接器終端匹配電阻38T型連接頭BNC連接器終端匹配電阻光纖光纖（opticalfiber）即光導纖維。利用光導纖維作為光的傳輸介質(zhì)，以光波為信號載體的光纖通信。優(yōu)點：抗電磁干擾能力強低損耗高傳輸速率缺點：費用高不易安裝和維護質(zhì)地脆易斷裂，機械性能差39光纖的結(jié)構(gòu)纖芯：具有高折射率的純玻璃包層：具有較低折射率的玻璃或塑料制成護套：塑料制成的保護套40光線在光纖中的折射41折射角入射角

包層（低折射率的媒體）

包層（低折射率的媒體）

纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光纖的工作原理42高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涔饫w模式類型多模光纖不同的光線以不同的反射角傳播，可以認為每一束光線有一個不同的模式特點：存在色散現(xiàn)象，適于中短距離中小容量的通信單模光纖光纖的直徑被減小到一個光波波長大小，光在其中沒有反射，而是沿直線傳播特點：傳輸距離遠；衰減??；傳輸速率高；但價格昂貴；適于大容量遠距離通信43多模光纖與單模光纖44輸入脈沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖光纖傳輸系統(tǒng)光源：LED(發(fā)光二極管)ILD(注入式激光二極管)光檢測器：光電二極管(PIN)雪崩光電二極管(APD)45內(nèi)容提要物理層的基本概念數(shù)據(jù)通信的基礎知識傳輸媒體信道復用技術(shù)數(shù)字傳輸系統(tǒng)46信道復用技術(shù)由于一條傳輸線路的能力遠遠超過傳輸一個用戶信號所需的能力，為了提高線路利用率，經(jīng)常讓多個信號同時共用一條物理線路。在同一介質(zhì)上，同時傳輸多個有限帶寬信號的方法，被稱為多路復用47多路復用器多路譯碼器N個信源N個輸出1條線路多個信道多路復用原理信道復用技術(shù)常用的幾種方法：頻分復用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）波分復用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）時分復用TDM（TimeDivisionMultiplexing）碼分復用CDM（CodeDivisionMultiplexing）48頻分多路復用（FDM）頻帶被劃分為若干個邏輯信道每個信號被調(diào)制到不同的載波頻率載波頻率之間有間隙，保證信號不會重疊49頻分多路復用（FDM）5092通道1通道2通道3808484888892808488調(diào)頻前調(diào)頻后多路復用以后頻率(Hz)頻率(kHz)頻率Hz3003400波分多路復用（WDM）在光纖信道上使用的頻分多路復用的一個變種由于受到目前電/光和光/電轉(zhuǎn)換的速度的限制，對于帶寬可達25000GHz的光纖來說，目前一般可以利用的數(shù)據(jù)傳輸率可達10Gbps。如采用波分多路復用技術(shù)，在一根光纖上發(fā)送8個波長的光波，假設每個波長可以支持10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，則一根光纖所能支持的最大數(shù)據(jù)傳輸率將達到80Gbps51波分多路復用光纖1光譜光纖2光譜共享光纖上的光譜能量能量能量波分多路復用（WDM）521550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm53時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。54時分復用頻率時間BCDB