計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)謝希仁第03章課件

第2章物理層2.1物理層的基本概念2.2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識2.3物理層下面的傳輸媒體2.4模擬傳輸與數(shù)字傳輸2.5信道復(fù)用技術(shù)2.6同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH2.7EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn)退出2.1物理層的基本概念 用于物理層的協(xié)議也常稱為物理層規(guī)程(procedure)。 可以將物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即： （1）機(jī)械特性。 （2）電氣特性。 （3）功能特性。 （4）規(guī)程特性。

在物理連接上的傳輸方式一般都是串行傳輸，即一個比特一個比特地按照時間順序傳輸。但是，有時也可以采用多個比特的并行傳輸方式。源系統(tǒng)一般包括以下兩個部分：（1）源站。（2）發(fā)送器。目的系統(tǒng)一般包括以下兩個部分：（1）接收器。（2）目的站。 數(shù)據(jù)(data)是運(yùn)送信息的實體，而信號(signal)則是數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。無論數(shù)據(jù)或信號，都可以是模擬的或數(shù)字的。所謂“模擬的”就是連續(xù)變化的，而“數(shù)字的”就表示取值是離散的。因此，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)(digitaldata)就是用不連續(xù)形式表示的數(shù)據(jù)。 將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程叫作調(diào)制。2.2.2有關(guān)信道的幾個基本概念 從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式。 （1）單向通信：又稱為單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。 （2）雙向交替通信：又稱為半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時接收)。這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收，過一段時間后再反過來。 （3）雙向同時通信：又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。 有時也常用“單工”這個名詞表示“雙向交替通信”。 信道可以分成傳送模擬信號的模擬信道和傳送數(shù)字信號的數(shù)字信道兩大類。但應(yīng)注意，數(shù)字信號在經(jīng)過數(shù)模變換后就可以在模擬信道上傳送，模擬信號在經(jīng)過模數(shù)變換后也可在數(shù)字信道上傳送。 信道上傳送的信號還有基帶(baseband)信號和寬帶(broadband)信號之分。 奈奎斯特(Nyquist)推導(dǎo)出在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式：理想低通信道的最高碼元傳輸速率=2WBaud(3-1) 這里W是理想低通信道①的帶寬，單位為赫(Hz)； 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。 式(3-1)就是著名的奈氏準(zhǔn)則。奈氏準(zhǔn)則的另一種表達(dá)方法是：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。 對于具有理想帶通矩形特性的信道②(帶寬為W)，奈氏準(zhǔn)則就變?yōu)椋豪硐霂ㄐ诺赖淖罡叽a元傳輸速率=WBaud (3-2) 即每赫帶寬的帶通信道的最高碼元傳輸速率為每秒1個碼元。 強(qiáng)調(diào)以下兩點： （1）一個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(zhǔn)則給出的這個上限數(shù)值。 （2）波特是碼元傳輸?shù)乃俾蕟挝?，它說明每秒傳多少個碼元。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，與碼元的傳輸速率“波特”是兩個完全不同的概念。 由于碼元的傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的制約，所以要提高信息的傳輸速率，就必須設(shè)法使每一個碼元能攜帶更多個比特的信息量。這就需要采用多元制(又稱為多進(jìn)制)的調(diào)制方法。 圖3-4說明了奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)中的作用范圍。2.3物理層下面的傳輸媒體 傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導(dǎo)向傳輸媒體和非導(dǎo)向傳輸媒體。在導(dǎo)向傳輸媒體中，電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體(銅線或光纖)傳播，而非導(dǎo)向傳輸媒體就是指自由空間，在非導(dǎo)向傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。圖3-5是電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜。2.3.1導(dǎo)向傳輸媒體1．雙絞線 把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起，然后用規(guī)則的方法絞合(twist)起來就構(gòu)成了雙絞線。 從用戶電話機(jī)到交換機(jī)的這段線稱為用戶線或用戶環(huán)路(subscriberloop)。 圖3-6是無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的示意圖。2．同軸電纜 同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線(單股實心線或多股絞合線)、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層(也可以是單股的)以及保護(hù)塑料外層所組成(圖3-7)。 通常按特性阻抗數(shù)值的不同，將同軸電纜分為兩類： （1）50同軸電纜 50同軸電纜又稱為基帶同軸電纜。 在傳輸基帶數(shù)字信號時，可以有多種不同的編碼方法。圖3-8畫的是未經(jīng)編碼的原基帶數(shù)字信號和在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的兩種編碼方法，即：曼徹斯特(Manchester)編碼和差分曼徹斯特編碼。 （2）75同軸電纜 75同軸電纜又稱為寬帶同軸電纜。在計算機(jī)通信中，“寬帶系統(tǒng)”是指采用了頻分復(fù)用和模擬傳輸技術(shù)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)。 雙電纜系統(tǒng)的示意圖如圖3-9(a)所示。頭端(headend)的作用是將各計算機(jī)從發(fā)送電纜發(fā)過來的信息轉(zhuǎn)換到接收電纜，使得各計算機(jī)能從接收電纜上收到發(fā)送給它們的信息。 圖3-9(b)為單電纜系統(tǒng)。3．光纜 光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細(xì)絲，主要由纖芯和包層構(gòu)成雙層通信圓柱體。纖芯很細(xì)，其直徑只有8~100m。正是這個纖芯用來傳導(dǎo)光波。包層較纖芯有較低的折射率。當(dāng)光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大于入射角(如圖3-10所示)。圖3-11畫出了光波在纖芯中傳播的示意圖。

只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某一個臨界角度，就可產(chǎn)生全反射。因此，可以存在許多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖(如圖3-12(a)所示)。若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖就稱為單模光纖(圖3-12(b))。圖3-13為四芯光纜剖面的示意圖。 光纖不僅具有通信容量非常大的優(yōu)點，而且還具有其他的一些特點： （1）傳輸損耗小，中繼距離長，對遠(yuǎn)距離傳輸特別經(jīng)濟(jì)。 （2）抗雷電和電磁干擾性能好。這在有大電流脈沖干擾的環(huán)境下尤為重要。 （3）無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。 （4）體積小，重量輕。 當(dāng)采用光纖連網(wǎng)時，常常將一段段點到點的鏈路串接起來構(gòu)成一個環(huán)路，通過T形接頭連接到計算機(jī)。 T形接頭有兩種：無源的和有源的。無源的T形接頭由于完全是無源的，因此非?？煽俊? 有源的T形接頭實際上就是一個有源轉(zhuǎn)發(fā)器(如圖3-14所示)。2.3.2非導(dǎo)向傳輸媒體1．無線傳輸2．地面微波接力通信 其主要特點是：微波波段頻率很高，其頻段范圍也很寬，因此其通信信道的容量很大；因為工業(yè)干擾和天電干擾的主要頻譜成分比微波頻率低得多，對微波通信的危害比對短波和米波通信小得多，因而微波傳輸質(zhì)量較高；與相同容量和長度的電纜載波通信比較，微波接力通信建設(shè)投資少，見效快。

微波接力通信缺點：相鄰站之間必須直視，不能有障礙物，有時一個天線發(fā)射出的信號也會分成幾條略有差別的路徑到達(dá)接收天線，因而造成失真；微波的傳播有時也會受到惡劣氣候的影響；與電纜通信系統(tǒng)比較，微波通信的隱蔽性和保密性較差；對大量中繼站的使用和維護(hù)要耗費(fèi)一定的人力和物力。3．衛(wèi)星通信 衛(wèi)星通信的最大特點是通信距離遠(yuǎn)，且通信費(fèi)用與通信距離無關(guān)。 衛(wèi)星通信的另一特點就是具有較大的傳播時延。2.4模擬傳輸與數(shù)字傳輸2.4.1模擬傳輸系統(tǒng)2.4.2調(diào)制解調(diào)器1．調(diào)制解調(diào)器的作用

圖3-15表示了出現(xiàn)一個誤碼的示意圖。 若所傳送的碼元速率越高，信號的失真就越嚴(yán)重。 調(diào)制解調(diào)器(modem)就是由調(diào)制器(MOdulator)和解調(diào)器(DEModulator)這兩個字各取其字頭合并而成的。 調(diào)制器的主要作用就是個波形變換器，解調(diào)器的作用就是個波形識別器。2．幾種最基本的調(diào)制方法 所謂調(diào)制就是進(jìn)行波形變換。或者更嚴(yán)格些，是進(jìn)行頻譜變換，將基帶數(shù)字信號的頻譜變換成為適合于在模擬信道中傳輸?shù)念l譜。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種(如圖3-16所示)： （1）調(diào)幅(AM （2）調(diào)頻(FM) （3）調(diào)相(PM) 上述的對數(shù)字信號的調(diào)頻和調(diào)相，分別稱為移頻鍵控FSK(FrequencyShiftKeying)和移相鍵控PSK(PhaseShiftKeying)。而對移相鍵控還可再分為絕對移相鍵控和相對移相鍵控(DPSK)。 圖3-17畫的是一種正交調(diào)制QAM(QuadratureAmplitudeModulation)的星座圖。

若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多(即在星座圖中的點數(shù)越多)，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。3．關(guān)于調(diào)制解調(diào)器的速率 圖3-18(a)表示兩個計算機(jī)用戶A和B通過V.34調(diào)制解調(diào)器(33.6kbit/s)進(jìn)行通信。 由于大部分的ISP都使用租用數(shù)字專線接入到電話交換機(jī)，因此用戶與ISP之間的通信信道是圖3-18(b)所示的那樣。 經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后到用戶環(huán)路，只有在模擬信號到達(dá)用戶的調(diào)制解調(diào)器后才進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，這時才產(chǎn)生量化噪聲。4．調(diào)制解調(diào)器使用異步通信方式 數(shù)據(jù)通信可分為同步通信和異步通信兩大類。 同步通信就是要求接收端的時鐘頻率和發(fā)送端的時鐘頻率相等(這常稱為收發(fā)雙方的時鐘是同步的)，以便使接收端對收到的比特流的采樣判決的時間是準(zhǔn)確的。 當(dāng)接收端的判決點移動的時間超過碼元寬度的一半時(本來判決點應(yīng)當(dāng)處于每一個碼元的中間)，就要產(chǎn)生差錯(比特重讀或漏讀)，這就是所謂的滑動(slip)。 準(zhǔn)同步方式是各有關(guān)信號使用一些獨(dú)立的、具有相同的頻率標(biāo)稱值的時鐘源，但這些頻率的實際數(shù)值允許有微小的誤差(在容許范圍之內(nèi))。 異步通信則采用另一種方法。這就是在發(fā)送端將欲發(fā)送的數(shù)據(jù)以字節(jié)(8個比特)為單位進(jìn)行逐個字節(jié)的封裝。 異步通信是通過增加通信開銷(每發(fā)送10個比特就有兩個比特的額外開銷，因而數(shù)據(jù)的有效傳輸速率就降低了)使接收端能夠使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。2.4.3數(shù)字傳輸系統(tǒng) 為了將模擬電話信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，必須先對電話信號進(jìn)行采樣。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率不低于電話信號最高頻率的2倍，就可以從采樣脈沖信號無失真地恢復(fù)出原來的電話信號。標(biāo)準(zhǔn)的電話信號的最高頻率為3.4kHz，為方便起見，采樣頻率就定為8kHz，相當(dāng)于采樣周期為125s。圖3-19表示了上述的概念。 圖3-20在2.048Mbit/s的傳輸線路兩端同步旋轉(zhuǎn)的開關(guān)(這只是為闡述原理用的示意圖)，表示32個時隙中的比特的發(fā)送和接收必須和時隙的編號相對應(yīng)，不能弄亂。

表3-1給出了歐洲和北美系統(tǒng)的高次群的話路數(shù)和數(shù)據(jù)率。2.5信道復(fù)用技術(shù)2.5.1頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用 頻分復(fù)用和時分復(fù)用的特點分別如圖3-21(a)和(b)所示。 頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源(請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率)。時分復(fù)用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。 在進(jìn)行通信時，復(fù)用器(multiplexer)總是和分用器(demultiplexer)成對地使用。 當(dāng)使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機(jī)數(shù)據(jù)時，由于計算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，一個用戶對已經(jīng)分配到的子信道的利用率一般是不高的。當(dāng)用戶在某一段時間暫時無數(shù)據(jù)傳輸時(例如用戶正在鍵盤上輸入數(shù)據(jù)或正在瀏覽屏幕上的信息)，那就只能讓已經(jīng)分配到手的子信道空閑著，而其他用戶也無法使用這個暫時空閑的線路資源。圖3-22說明了這一概念。 統(tǒng)計時分復(fù)用STDM(StatisticTDM)是一種改進(jìn)的時分復(fù)用，它能明顯地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用這種統(tǒng)計時分復(fù)用。圖3-23是統(tǒng)計時分復(fù)用的原理圖。 統(tǒng)計復(fù)用又稱為異步時分復(fù)用，而普通的時分復(fù)用稱為同步時分復(fù)用。從平均的角度來看，這兩者是平衡的。2.5.2波分復(fù)用 圖3-24表示8路傳輸速率均為2.5Gbit/s的光載波(其波長均為1310nm)，經(jīng)光的調(diào)制后，分別將波長變換到1550~1557nm，每個光載波相隔1nm(這里只是為了說明問題的方便，實際上光載波的間隔一般是0.8或1.6nm)。2.5.3碼分復(fù)用 碼分復(fù)用CDM(CodeDivisionMultiplexing)是另一種共享信道的方法。實際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此不會造成干擾。碼分復(fù)用最初是用于軍事通信，因為這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。 在CDMA中，每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。2.6同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH 數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個。 （1）速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一 （2）不是同步傳輸 為了解決上述問題，美國首先在1988年推出了一個數(shù)字傳輸標(biāo)準(zhǔn)，叫做同步光纖網(wǎng)SONET(SynchronousOpticalNetwork)。 表3-2為SONET和SDH的比較。 SONET標(biāo)準(zhǔn)定義了四個光接口層。SONET的層次自下而上如圖3-25所示。 ·光子層(Phot