第二章物理层

1、1主讲：孔广黔E-mail: 计算机网络computer networks2第二章 物理层内容提要物理层的基本概念物理层的基本概念数据通信的基础知识数据通信的基础知识传输媒体传输媒体信道复用技术信道复用技术3物理层基本服务功能物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系物理层设计时主要考虑的是如何在连接开放系统的传输介质上传输各种数据的比特流；统的传输介质上传输各种数据的比特流；计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设计算机网络可以利用的物理传输介质与传输设备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的备存在着很大的差异，设计物理层的主要目的是向数据链路层屏蔽通信技术的差异性；是向数据链路层屏蔽通信技术

2、的差异性；数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传数据链路实体通过与物理层的接口，将数据传送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将送给物理层，通过物理层按比特流的顺序，将信号传输到另一个数据链路实体。信号传输到另一个数据链路实体。 4物理层向数据链路层提供的服务 物理连接的建立、维护与释放物理连接的建立、维护与释放 ；物理连接分为点物理连接分为点- -点连接与多点连接或广播连接点连接与多点连接或广播连接 ；数据传输分为全双工、半双工与单工方式数据传输分为全双工、半双工与单工方式 ；数据传输分为串行传输方式与并行传输方式数据传输分为串行传输方式与并行传输方式 ；串行传输方式的物理数据服务单元是位

3、；串行传输方式的物理数据服务单元是位；并行传输方式的物理数据服务单元是并行传输方式的物理数据服务单元是N N位，位，N N为并行为并行连接的物理通道数。连接的物理通道数。 5物理层特性物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：一些特性，即： 机械特性机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。电压的范围。功能特性功能特性 指明某条线上出现的某一电

4、平的电指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。压表示何种意义。过程特性过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。的出现顺序。6内容提要物理层的基本概念物理层的基本概念数据通信的基础知识数据通信的基础知识传输媒体传输媒体信道复用技术信道复用技术数字传输系统数字传输系统7数据通信系统的模型 8传输系统输入信息输入数据发送的信号接收的信号输出数据源点终点发送器接收器调制解调器PC 机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 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机单工、半双工与全双工通信 9发送接收单向通道双向通道双向通

5、道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送单工通信只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。单工、半双工与全双工通信发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送10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)。单工、半双工与全双工通信发送接收单向通道双向通道双向通道(a)(b)(c)发送接收发送接收接收发送接收发送11全双工通信通信的双方可以同时发送和接收信息。1）链路具有两条物理上独立的传输线路，或）链路具有两条物理上独立的传输线路，或2）将带宽一分为二，分别用于不同方向的信号）将带宽一分为二，分别用于不同方向的

6、信号传输传输12基带(baseband)信号基带信号基带信号（即基本频带信号）（即基本频带信号）来自信源的信号。像计来自信源的信号。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。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，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决这一问题，就必须对基带信号进行调制调制(modulation)(modulation)。13几种最基本的调制方法

7、最基本的二元制调制方法有以下几种：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。 对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相信道容量信道：发送器和接收器之间用以传输信号的媒介或途径信道：发送器和接收器之间用以传输信号的媒介或途径信道容量：给定通信路径或信道上的数据传送速率信道容量：给定通信路径或信道上的数据传送速率15信道的最高码元传输速率 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生

8、各种失真以及带来多种干扰。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，在信码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。道的输出端的波形的失真就越严重。 16数字信号通过实际的信道 失真不严重失真不严重失真严重失真严重 17实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输入信号波形输出信号波形(失真不严重)输入信号波形实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰和失真）输出信号波形(失真严重)奈氏(Nyquist)准则 每赫带宽的理想低通信道的最高码元每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒传输速率是每秒 2 2 个码元。个码元。Baud Ba

9、ud 是是波特波特，是，是码元码元传输速率的单位，传输速率的单位，1 1 波特为每秒传送波特为每秒传送 1 1 个码元。个码元。 18理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过能通过0频率(Hz)W (Hz) 奈氏(Nyquist)准则实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。于奈氏准则给出上限数值。波特波特(Baud)(Baud)和比特和比特(bit)(bit)是两个不同的概念。是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为

10、调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位(bps，b/s) 。 19波特率与比特率的关系 1 Baud = 1 Baud = （loglog2 2M M） bpsbps其中，其中，M M表示离散性信号或电平的个数；表示离散性信号或电平的个数；一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信一个信号往往可以携带多个二进制位，所以在固定的信息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一息传输速率下，比特率往往大于波特率。换句话说，一个码元中可以传送多个比特（个码元中可以传送多个比特（bitbit）20信道的极限信息传输速率 香农香农(Shannon)(Shannon)用信息论的理论推导

11、出了带宽受限且有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高斯白噪声干扰的信道的极限极限、无差错的无差错的信息传输速信息传输速率。率。信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率 C C 可表达为可表达为 C C = = W W log log2 2(1+(1+S S/ /N N) b/s ) b/s 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。 信噪比(dB)=10 log10(S/N) (dB) 21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。限

12、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，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。就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽若信道带宽 W W 或信噪比或信噪比 S S/ /N N 没有上限（当然实际没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率速率 C C 也就没有上限。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。极限传输速率低不少。 22例假设一个音频电话线路支持的频率范围为假设一

13、个音频电话线路支持的频率范围为300Hz300Hz到到3400Hz3400Hz，其信噪比是，其信噪比是25dB25dB，试求这个线路传输速率的，试求这个线路传输速率的上限上限23解：由题可知，这条线路的带宽为：解：由题可知，这条线路的带宽为：W=3400-300=3100 (Hz)W=3400-300=3100 (Hz)又因为信噪比为又因为信噪比为25dB25dB，故由公式：，故由公式：(S/N)(S/N)dbdb=10log=10log1010(S/N) (S/N) 可得可得 S/N=10S/N=102.52.5=316=316由香农公式可得：由香农公式可得：C=3100logC=3100l

14、og2 2(1+316)=25761 (b/s)(1+316)=25761 (b/s)内容提要物理层的基本概念物理层的基本概念数据通信的基础知识数据通信的基础知识传输媒体传输媒体信道复用技术信道复用技术数字传输系统数字传输系统24物理层下面的传输媒体25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)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106 108 1010

15、1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动无线电 电信领域使用的电磁波的频谱电信领域使用的电磁波的频谱传输媒体（传输介质）传输介质可以分为有线和无线传输介质传输介质可以分为有线和无线传输介质 在有线介质中，电磁波沿着物理通路呈导向性传播 无线介质可以传播电磁波，但并不为它们导向有线介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等有线介质有：双绞线、同轴电缆、光纤等无线介质一般指自由空间（大气、真空）无线介质一般指自由空间（大气、真空）26双绞线非屏蔽双绞线非屏蔽双绞线 (UTP)(UTP)屏蔽双绞线屏蔽双绞线 (STP)(STP)27非屏蔽双绞线（UTP）由由4 4对双绞线和一

16、层塑料护套构成对双绞线和一层塑料护套构成完全依靠双绞线对产生的消除效果来限制由电完全依靠双绞线对产生的消除效果来限制由电磁干扰和无线电频率干扰而引起的信号退化磁干扰和无线电频率干扰而引起的信号退化非屏蔽双绞线必须遵守关于每英尺允许有多少非屏蔽双绞线必须遵守关于每英尺允许有多少次的绞合或交织的规定次的绞合或交织的规定EIAEIA为非屏蔽双绞线定义了六种不同的质量类为非屏蔽双绞线定义了六种不同的质量类别，常用的有别，常用的有3 3类、类、4 4类和类和5 5类类优点：优点：1 1、容易安装且比其它类型的网络介质、容易安装且比其它类型的网络介质便宜；便宜；2 2、尺寸较小，节省空间；、尺寸较小，节省

17、空间；缺点：缺点：1 1、易受电磁信号干扰；、易受电磁信号干扰；2 2、传输距离短、传输距离短2829屏蔽双绞线（STP）屏蔽双绞线结合了屏蔽技术和消除技术屏蔽双绞线结合了屏蔽技术和消除技术4 4对线缆全由金属薄片包围着对线缆全由金属薄片包围着优点：屏蔽双绞线能对所有类型的外界干扰更有效地优点：屏蔽双绞线能对所有类型的外界干扰更有效地进行阻止进行阻止缺点：在安装费用和难度方面，它比非屏蔽双绞线要缺点：在安装费用和难度方面，它比非屏蔽双绞线要昂贵和更困难昂贵和更困难3031RJ45连接器32RJ-45 连接器连接器188Pair 4 R41234567线对线对T 是是 火线火线R 是是 零线零线

18、Pair 2 T2Pair 2 R2Pair 3 T3Pair 1 R1Pair 1 T1Pair 3 R3Pair 4 T4管脚管脚直通电缆33电缆两端线序相同电缆两端线序相同管脚标识管脚标识1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC10BaseT/100BaseT 直接连接直接连接管脚标识管脚标识1TD+2TD-3RD+4NC5NC6RD-7NC8NC服务器服务器/路由器路由器18直通电缆直通电缆8集线器集线器/交换机交换机1交叉电缆34电缆两端部分线交叉电缆两端部分线交叉10BaseT/100BaseT 交叉连接交叉连接管脚标识管脚标识1RD+2RD-3TD+4NC5NC6

19、TD-7NC8NC管脚标识管脚标识1RD+2RD-3TD+4NC5NC6TD-7NC8NC交叉电缆交叉电缆集线器集线器/交换机交换机集线器集线器/交换机交换机1818用交叉电缆连接两台计算机351 1、制作网线、制作网线一端的一端的RJ45RJ45头头1 1、3 3线交换，线交换，2 2、6 6线交换，另一端不变线交换，另一端不变制作工具：剥线钳、压线钳制作工具：剥线钳、压线钳2 2、设置、设置TCP/IPTCP/IP每台计算机的每台计算机的IPIP地址都不能相同，如第一台计算机为地址都不能相同，如第一台计算机为192.168.215.1192.168.215.1子网掩码为子网掩码为255.2

20、55.255.0255.255.255.0。第二台计算机的。第二台计算机的IPIP地址为地址为192.168.215.2192.168.215.2，子网掩码为，子网掩码为255.255.255.0255.255.255.0。 3 3、对线路进行通断测试、对线路进行通断测试 硬件测试方法：使用硬件测试方法：使用RJ-45RJ-45测线仪测线仪软件测试方法：使用软件测试方法：使用Ping Ping 命令命令 ，如，如Cping 192.168.215.2 Cping 192.168.215.2 用直通电缆连接计算机和Hub36使用直通电缆，电缆两端使用直通电缆，电缆两端RJ45RJ45头线序一致头

21、线序一致其它设置方法与前面相同其它设置方法与前面相同集线器（集线器（hub）同轴电缆结构：内导体、绝缘材料、外导体（屏蔽层）、保护套结构：内导体、绝缘材料、外导体（屏蔽层）、保护套基带同轴电缆基带同轴电缆(50 (50 ) )、宽带同轴电缆、宽带同轴电缆(75(75 ) )粗缆粗缆 连接距离长，可靠性高但安装难度大，造价高细缆细缆 安装较简单，造价也低，但需切断电缆安装网络连接头BNC，当接头多时容易产生接触不良的现象37外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体38 T型连接头型连接头 BNC连接器连接器 终端匹配电阻终端匹配电阻 光纤光纤（光纤（optical fiberoptical fibe

22、r）即光导纤维。利用光导纤维作为）即光导纤维。利用光导纤维作为光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信。光的传输介质，以光波为信号载体的光纤通信。优点：优点： 抗电磁干扰能力强 低损耗 高传输速率缺点：缺点： 费用高 不易安装和维护 质地脆易断裂，机械性能差39光纤的结构纤芯：具有高折射率的纯玻璃纤芯：具有高折射率的纯玻璃包层：具有较低折射率的玻璃或塑料制成包层：具有较低折射率的玻璃或塑料制成护套：塑料制成的保护套护套：塑料制成的保护套40光线在光纤中的折射 41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） 包层纤芯光纤的工作原理42高折射率(纤芯)低折

23、射率(包层)光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射光纤模式类型多模光纤多模光纤 不同的光线以不同的反射角传播，可以认为每一束光线有一个不同的模式 特点：存在色散现象，适于中短距离中小容量的通信单模光纤单模光纤 光纤的直径被减小到一个光波波长大小，光在其中没有反射，而是沿直线传播 特点：传输距离远；衰减小；传输速率高；但价格昂贵；适于大容量远距离通信43多模光纤与单模光纤44输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输出脉冲多模光纤光纤传输系统光源：光源： LED(发光二极管) ILD(注入式激光二极管)光检测器：光检测器： 光电二极管(PIN) 雪崩光电二极管(APD)45内容提要物理层的基本概念物理层的

24、基本概念数据通信的基础知识数据通信的基础知识传输媒体传输媒体信道复用技术信道复用技术数字传输系统数字传输系统46信道复用技术由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用由于一条传输线路的能力远远超过传输一个用户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经户信号所需的能力，为了提高线路利用率，经常让多个信号同时共用一条物理线路。常让多个信号同时共用一条物理线路。在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，被称为多路复用方法，被称为多路复用47多路复用器多路译码器N个信源N个输出1条线路多个信道多路复用原理多路复用原理信道复用技术常用的几种方法：常用的几种方法： 频

25、分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing） 波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 时分复用 TDM（Time Division Multiplexing） 码分复用 CDM （Code Division Multiplexing）48频分多路复用（FDM）频带被划分为若干个逻辑信道频带被划分为若干个逻辑信道每个信号被调制到不同的载波频率每个信号被调制到不同的载波频率载波频率之间有间隙，保证信号不会重叠载波频率之间有间隙，保证信号不会重叠49频分多路复用（FDM）5092通道通道1 1通道通道2 2通道通道3

26、3808484888892808488调频前调频前调频后调频后多路复用以后多路复用以后频率频率(Hz)频率频率(kHz)频率频率Hz3003400波分多路复用（WDM）在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种在光纤信道上使用的频分多路复用的一个变种由于受到目前电由于受到目前电/ /光和光光和光/ /电转换的速度的限制，对于带宽可电转换的速度的限制，对于带宽可达达25000GHz 25000GHz 的光纤来说，目前一般可以利用的数据传输率的光纤来说，目前一般可以利用的数据传输率可达可达10Gbps10Gbps。如采用波分多路复用技术，在一根光纤上发送。如采用波分多路复用技术，在一根光纤上发送8

27、8个波长的光波，假设每个波长可以支持个波长的光波，假设每个波长可以支持10Gbps10Gbps的数据传输的数据传输率，则一根光纤所能支持的最大数据传输率将达到率，则一根光纤所能支持的最大数据传输率将达到80Gbps80Gbps51波分多路复用波分多路复用光纤光纤1 光谱光谱光纤光纤2 光谱光谱共享光纤上的光谱共享光纤上的光谱能量能量能量能量能量能量 波分多路复用（WDM） 52 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 8 2.5 Gb/s1310 nm20 Gb/s复用器分用器EDFA120 kmn波分复用就是光的频分复用。波分复用就是光的频分复用。 8 2.5 Gb/s1310 nm53时分复用TDM(Time Division Multiplexing) 时分复用时分复用则是将时间划分为一段段等长的则是将时间划分为一段段等长的时分复时分复用帧用帧（TDM T