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第2章物理层教材：《计算机网络（第七版）》谢希仁著第2章物理层2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.3物理层下面的传输媒体2.4信道复用技术2.5数字传输系统2.6宽带接入技术2.1物理层的基本概念物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。物理层的主要任务机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。2.2数据通信的基础知识2.2.1数据通信系统的模型2.2.2有关信道的几个基本概念2.2.3信道的极限容量2.2.1数据通信系统的模型一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。传输系统输入信息输入数据发送的信号(数字的或模拟的)接收的信号(数字的或模拟的)输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC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数据通信系统的模型常用术语数据(data)——运送消息的实体。信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。模拟信号(analogoussignal)——代表消息的参数的取值是连续的。数字信号(digitalsignal)——代表消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。2.2.2有关信道的几个基本概念信道——一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。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有关信道的几个基本概念基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。2.2.2有关信道的几个基本概念调制分为两大类：基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码(coding)。带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。带通信号：经过载波调制后的信号。(1)常用编码方式不归零制曼彻斯特1111100000比特流差分曼彻斯特归零制数字信号常用的编码方式(1)常用编码方式不归零制：正电平代表1，负电平代表0。归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。(1)常用编码方式从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。(2)基本的带通调制方法基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。(2)基本的带通调制方法010011100基带信号调幅调频调相最基本的三种调制方式2.2.3信道的极限容量任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。数字信号通过实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）发送信号波形接收信号波形有失真，但可识别发送信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）接收信号波形失真大，无法识别2.2.3信道的极限容量从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：信道能够通过的频率范围信噪比(1)信道能够通过的频率范围具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。(1)信道能够通过的频率范围在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。(2)信噪比噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。即：信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。(2)信噪比1984年，香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。信道的极限信息传输速率C可表达为：C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)其中：W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。请注意对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。2.3物理层下面的传输媒体2.3.1导引型传输媒体2.3.2非导引型传输媒体2.3物理层下面的传输媒体传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。2.3物理层下面的传输媒体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：2.3.1导引型传输媒体双绞线最常用的传输媒体。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair)带金属屏蔽层无屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair)2.3.1导引型传输媒体铜线聚氯乙烯套层绝缘层(a)无屏蔽双绞线铜线聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层(b)屏蔽双绞线3类线5类线(c)不同的绞合度的双绞线双绞线的示意图双绞线标准1991年，美国电子工业协会EIA和电信行业协会联合发布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准EIA/TIA-568。1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A。此标准规定了5个种类的UTP标准（从1类线到5类线）。对传送数据来说，现在最常用的UTP是5类线（Category5或CAT5）。双绞线标准绞合线类别带宽线缆特点典型应用316MHz2对4芯双绞线模拟电话；曾用于传统以太网（10Mbit/s）420MHz4对8芯双绞线曾用于令牌局域网5100MHz与4类相比增加了绞合度传输速率不超过100Mbit/s的应用5E（超5类）125MHz与5类相比衰减更小传输速率不超过1Gbit/s的应用6250MHz与5类相比改善了串扰等性能传输速率高于1Gbit/s的应用7600MHz使用屏蔽双绞线传输速率高于10Gbit/s的应用常用的绞合线的类别、带宽和典型应用2.3.1导引型传输媒体同轴电缆同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。50同轴电缆——LAN/数字传输常用75同轴电缆——有线电视/模拟传输常用内导体外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层同轴电缆的结构2.3.1导引型传输媒体光缆光纤是光纤通信的传输媒体。由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。光线在光纤中的折射折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体）包层纤芯光线在光纤中的折射当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。光纤的工作原理高折射率(纤芯)低折射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光波在纤芯中的传播只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。多模光纤与单模光纤多模光纤可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。单模光纤若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。多模光纤与单模光纤输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤(a)和单模光纤(b)的比较光纤优点(1)通信容量非常大。(2)传输损耗小，中继距离长。(2)抗雷电和电磁干扰性能好。(3)无串音干扰，保密性好。(4)体积小，重量轻。2.3.2非导引型传输媒体将自由空间称为“非导引型传输媒体”。无线传输所使用的频段很广。短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。微波在空间主要是直线传播。传统微波通信有两种方式：地面微波接力通信卫星通信无线局域网使用的ISM频段2683.5125频带MHzMHzMHz频率9029282.42.48355.7255.850MHzMHzGHzGHzGHzGHz要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM。各国的ISM标准有可能略有差别。无线局域网使用的ISM频段2.4信道复用技术2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用