第二章物理層

1主講：孔廣黔E-mail:csc.gqkong@計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

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(chǔ)知識(shí)傳輸媒體信道復(fù)用技術(shù)3物理層基本服務(wù)功能物理層設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是如何在連接開(kāi)放系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)上傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以利用的物理傳輸介質(zhì)與傳輸設(shè)備存在著很大的差異，設(shè)計(jì)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(shí)體通過(guò)與物理層的接口，將數(shù)據(jù)傳送給物理層，通過(guò)物理層按比特流的順序，將信號(hào)傳輸?shù)搅硪粋€(gè)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體。

4物理層向數(shù)據(jù)鏈路層提供的服務(wù)

物理連接的建立、維護(hù)與釋放；物理連接分為點(diǎn)-點(diǎn)連接與多點(diǎn)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(wù)單元是位；并行傳輸方式的物理數(shù)據(jù)服務(wù)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(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機(jī)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(guò)程特性指明對(duì)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(chǔ)知識(shí)傳輸媒體信道復(fù)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(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)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(hào)模擬信號(hào)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(jī)單工、半雙工與全雙工通信9單工通信——只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)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(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)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(shí)發(fā)送和接收信息。1）鏈路具有兩條物理上獨(dú)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(hào)傳輸12基帶(baseband)信號(hào)基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）——來(lái)自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)?；鶐盘?hào)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(wèn)題，就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)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(hào)而變化。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化。

對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)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(hào)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(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)多種干擾。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。16數(shù)字信號(hào)通過(guò)實(shí)際的信道失真不嚴(yán)重失真嚴(yán)重17實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號(hào)波形輸出信號(hào)波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號(hào)波形實(shí)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號(hào)波形(失真嚴(yán)重)奈氏(Nyquist)準(zhǔn)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(gè)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(gè)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(guò)能通過(guò)0頻率(Hz)W(Hz)奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則實(shí)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(zhǔn)則給出上限數(shù)值。波特(Baud)和比特(bit)是兩個(gè)不同的概念。波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝唬棵雮鞫嗌賯€(gè)碼元）。碼元傳輸速率也稱(chēng)為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)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(hào)或電平的個(gè)數(shù)；一個(gè)信號(hào)往往可以攜帶多個(gè)二進(jìn)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(shuō)，一個(gè)碼元中可以傳送多個(gè)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(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無(wú)差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)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(hào)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(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒(méi)有上限（當(dāng)然實(shí)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(méi)有上限。實(shí)際信道上能夠達(dá)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(shè)一個(gè)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(gè)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?yàn)樾旁氡葹?5dB，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(chǔ)知識(shí)傳輸媒體信道復(fù)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(wú)線電微波紅外線可見(jiàn)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(wú)線電

調(diào)頻無(wú)線電

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

移動(dòng)無(wú)線電電信領(lǐng)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(wú)線傳輸介質(zhì)在有線介質(zhì)中，電磁波沿著物理通路呈導(dǎo)向性傳播無(wú)線介質(zhì)可以傳播電磁波，但并不為它們導(dǎo)向有線介質(zhì)有：雙絞線、同軸電纜、光纖等無(wú)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(duì)雙絞線和一層塑料護(hù)套構(gòu)成完全依靠雙絞線對(duì)產(chǎn)生的消除效果來(lái)限制由電磁干擾和無(wú)線電頻率干擾而引起的信號(hào)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(lèi)別，常用的有3類(lèi)、4類(lèi)和5類(lèi)優(yōu)點(diǎn)：1、容易安裝且比其它類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)便宜；2、尺寸較小，節(jié)省空間；缺點(diǎn)：1、易受電磁信號(hào)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(duì)線纜全由金屬薄片包圍著優(yōu)點(diǎn)：屏蔽雙絞線能對(duì)所有類(lèi)型的外界干擾更有效地進(jìn)行阻止缺點(diǎn)：在安裝費(fèi)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(duì)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(biāo)識(shí)1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC10BaseT/

100BaseT直接連接管腳標(biāo)識(shí)1 TD+2 TD-3 RD+4 NC5 NC6 RD-7 NC8 NC服務(wù)器/路由器18直通電纜8集線器/交換機(jī)1交叉電纜34

電纜兩端部分線交叉10BaseT/

100BaseT交叉連接管腳標(biāo)識(shí)1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC管腳標(biāo)識(shí)1 RD+2 RD-3 TD+4 NC5 NC6 TD-7 NC8 NC交叉電纜集線器/交換機(jī)集線器/交換機(jī)1818用交叉電纜連接兩臺(tái)計(jì)算機(jī)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(shè)置TCP/IP每臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址都不能相同，如第一臺(tái)計(jì)算機(jī)為子網(wǎng)掩碼為。第二臺(tái)計(jì)算機(jī)的IP地址為，子網(wǎng)掩碼為。3、對(duì)線路進(jìn)行通斷測(cè)試硬件測(cè)試方法：使用RJ-45測(cè)線儀軟件測(cè)試方法：使用Ping命令，如C>ping用直通電纜連接計(jì)算機(jī)和Hub36使用直通電纜，電纜兩端RJ45頭線序一致其它設(shè)置方法與前面相同集線器（hub）同軸電纜結(jié)構(gòu)：內(nèi)導(dǎo)體、絕緣材料、外導(dǎo)體（屏蔽層）、保護(hù)套基帶同軸電纜(50)、寬帶同軸電纜(75)粗纜連接距離長(zhǎng)，可靠性高但安裝難度大，造價(jià)高細(xì)纜安裝較簡(jiǎn)單，造價(jià)也低，但需切斷電纜安裝網(wǎng)絡(luò)連接頭BNC，當(dāng)接頭多時(shí)容易產(chǎn)生接觸不良的現(xiàn)象37外導(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)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(dǎo)纖維。利用光導(dǎo)纖維作為光的傳輸介質(zhì)，以光波為信號(hào)載體的光纖通信。優(yōu)點(diǎn)：抗電磁干擾能力強(qiáng)低損耗高傳輸速率缺點(diǎn)：費(fèi)用高不易安裝和維護(hù)質(zhì)地脆易斷裂，機(jī)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(hù)套：塑料制成的保護(hù)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(lèi)型多模光纖不同的光線以不同的反射角傳播，可以認(rèn)為每一束光線有一個(gè)不同的模式特點(diǎn)：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(gè)光波波長(zhǎng)大小，光在其中沒(méi)有反射，而是沿直線傳播特點(diǎn)：傳輸距離遠(yuǎn)；衰減?。粋鬏斔俾矢?；但價(jià)格昂貴；適于大容量遠(yuǎn)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(cè)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(chǔ)知識(shí)傳輸媒體信道復(fù)用技術(shù)數(shù)字傳輸系統(tǒng)46信道復(fù)用技術(shù)由于一條傳輸線路的能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳輸一個(gè)用戶信號(hào)所需的能力，為了提高線路利用率，經(jīng)常讓多個(gè)信號(hào)同時(shí)共用一條物理線路。在同一介質(zhì)上，同時(shí)傳輸多個(gè)有限帶寬信號(hào)的方法，被稱(chēng)為多路復(fù)用47多路復(fù)用器多路譯碼器N個(gè)信源N個(gè)輸出1條線路多個(gè)信道多路復(fù)用原理信道復(fù)用技術(shù)常用的幾種方法：頻分復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）波分復(fù)用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）時(shí)分復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing）碼分復(fù)用CDM（CodeDivisionMultiplexing）48頻分多路復(fù)用（FDM）頻帶被劃分為若干個(gè)邏輯信道每個(gè)信號(hào)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(hào)不會(huì)重疊49頻分多路復(fù)用（FDM）5092通道1通道2通道3808484888892808488調(diào)頻前調(diào)頻后多路復(fù)用以后頻率(Hz)頻率(kHz)頻率Hz3003400波分多路復(fù)用（WDM）在光纖信道上使用的頻分多路復(fù)用的一個(gè)變種由于受到目前電/光和光/電轉(zhuǎn)換的速度的限制，對(duì)于帶寬可達(dá)25000GHz的光纖來(lái)說(shuō)，目前一般可以利用的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)10Gbps。如采用波分多路復(fù)用技術(shù)，在一根光纖上發(fā)送8個(gè)波長(zhǎng)的光波，假設(shè)每個(gè)波長(zhǎng)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(dá)到80Gbps51波分多路復(fù)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(fù)用（WDM）521550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。82.5Gb/s1310nm53時(shí)分復(fù)用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長(zhǎng)度）。TDM信號(hào)也稱(chēng)為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。54時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDB