计算机网络-谢希仁第六版第二讲物理层刘彬

1计算机网络

第二讲物理层2本讲要求1理解物理层关注的问题2了解计算机网络的典型传输介质3理解调制解调技术4理解多路复用技术5了解数字传输系统6理解宽带接入技术

过度的考虑未来是错误的。命运像一条链条，一次只能处理其中的一个环节。

——温斯顿

.丘吉尔问题：物理上相连的主机？

最简单的网络可能就是所有主机都由某种物理介质直接相连的网络。如何选择一种合适的介质以及如何进行比特编码？4回顾五层协议的体系结构

?0011100101001100110011101011011000011物理层数据链路层网络层运输层应用层物理层数据链路层网络层运输层应用层主机主机物理传输媒体5物理层关注主要问题一句话：用什么来传输0-1比特流？◆问题分析（1）传输介质问题：用什么物理介质？传输什么信号？适应什么环境？有什么传输特点？（2）数字信号传输问题：如何将0-1序列变换为相应的传输信号？传输速度多快？如何计算？（3）模拟信号传输问题：如何将模拟信号变换为相应的数字信号？传输速度多快？如何计算？

else……6脉络解决问题多路信号传输传输介质香农定理调制技术多路复用技术宽带接入技术数字传输系统通信基础知识

物理层的作用物理层关注如何在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流物理层作用要尽可能屏蔽掉各种传输媒体和通信手段的差异计算机网络2.物理层：传输媒体

物理层任务:确定与传输媒体的接口的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性、规程特性8物理连接上的传输方式：并行传输：多个比特同时传输计算机中串行传输：一个一个比特的按时间顺序传输传输线上物理层要完成串并/并串转换（硬件问题）物理层基本概念计算机网络2.物理层：传输媒体

9分类两类：有线（导向）和无线（非导向）选择媒介需要考虑的因素：价格安装难易程度容量衰减抗电磁干扰能力计算机网络2.物理层：传输媒体

10双绞线同轴电缆光纤电缆无线与卫星通信信道计算机网络2.物理层：传输媒体

常用的传输介质11双绞线

屏蔽:STP、UTP

绞合度：1-7类（5类）计算机网络2.物理层：传输媒体--导向12RJ45接头排线RJ45有两种排线标准

T568A\T568B计算机网络2.物理层：传输媒体--导向查阅+动手？机器接交换机？机器间直连？13同轴电缆——

有线电视

计算机网络2.物理层：传输媒体--导向50、75——

有线电视系统的标准传输电缆14同轴电缆接口BNC主机连接细缆（10Base2）的接口标准AUI主机连接粗缆（10Base5）的接口标准计算机网络2.物理层：传输媒体--导向15光纤（1）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

通信原理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；入射角足够大，出现全反射计算机网络2.物理层：传输媒体--导向16光纤（2）

单模和多模inputoutputsingle-modefiberinputoutputMultimodefiber计算机网络2.物理层：传输媒体--导向

距离越远，失真越严重

没有反射，直线传播17有三个波段用于光纤通信光通过光纤时的衰减情况计算机网络2.物理层：传输媒体--导向18

玻璃封套

塑料外套玻璃内芯

单芯光缆

多芯光缆

玻璃内芯塑料外套玻璃封套外壳光缆（1）计算机网络2.物理层：传输媒体--导向多模-红色单模-黄色8芯、12芯>2km布线>75km加光放

再远加线放光缆（2）计算机网络2.物理层：传输媒体--导向20光纤接口ST插头SC插头FC插头ST插头计算机网络2.物理层：传输媒体--导向SC插头21光纤的三种连接方式接入连接头并插入光纤插座用机械方法将其接合两根光纤被融合在一起形成坚实的连接三种连接方法，结合处都有光损耗和反射，并且反射的能量会和信号交互作用计算机网络2.物理层：传输媒体--导向22光纤的性能价格光缆及连接器比铜导线昂贵，但价格正在迅速下降安装费用远远超出其材料费用安装难易程度

较难容量

支持极高的带宽衰减光缆的衰减极低抗电磁干扰性

不受电磁波以及高频失真的干扰。适合于有危险的、高压的或者泄漏信号灵敏性很强的环境计算机网络2.物理层：传输媒体--导向23在空间利用电磁波直接传送和接收信号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计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向非导向传输媒体24非导向传输媒体无线电波微波红外线光波卫星通信计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向25无线电—104-108□很容易产生□低频部分（a），沿地面传播，穿透性好，1000公里□高频部分（b）—短波通信，直线传播，穿透性差，传输距离远□容易被雨水吸收□抗电磁干扰能力差—

多径效应计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向26微波—108-1010□直线传播——要求发射器和接收器精确对齐□穿透性差□频段较高,带宽大,特别适合于卫星通信□容易被水吸收□抗干扰性比短波通信好地球地面站之间的直视线路微波传送塔计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向

两个地面站之间传送距离：50-100km27地球地面发送站地面接收站卫星—

1G(109)-20G□卫星通信本质还是无线通信，卫星作为中继器和放大器□微波通信方式

计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向28卫星通信的高度—范艾伦带计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向29与地面站相对固定位置使用3个卫星覆盖全球卫星通信频带很宽，通信容量很大36000公里地球地球同步卫星计算机网络2.物理层：传输媒体—非导向传播时延大适合广播通信保密性差30中间轨道卫星目前没有被用于通信应用于GPS24颗星计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向北斗卫星导航系统北斗卫星导航系统﹝BDS﹞是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，与美国的GPS、俄罗斯的格洛纳斯、欧盟的伽利略系统兼容共用的全球卫星导航系统，并称全球四大卫星导航系统。空间段计划由35颗卫星组成，已发射了17颗卫星，定位精度10米。特色：短信功能，每条可以发送120个汉字。计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向32低轨道卫星需要大量卫星地面站不需要大功率往返延迟小Example:Iridium(77铱,66镝),motorolaGlobalstar(48)Teledesic--军事卫星通信系统计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向33低轨道卫星Iridium,在太空转发信号Globalstar,在地面转发信号计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向34红外线□既可做点到点通信，也可进行广播式通信□穿透性差□适合短距离通信□有方向性、便宜并且容易制造□不能穿透坚实的物体□红外通信不能在室外使用□使用红外系统不需要政府授权

计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向35光波—1014□穿透性差□有方向性□价格便宜□高带宽□不需要授权□不能穿透雨雾□激光波束窄,精确对准计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向36小结短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差微波在空间主要是直线传播地面微波接力通信卫星通信

红外线用于室内短距离通信计算机网络2.物理层：传输媒体—

非导向37媒体选择参考安装一个小型局域网络选择双绞线、无线或者同轴电缆把多个远程站点（如在WAN上）连接到一起可以选择光纤与移动着的计算机连网无线媒介必不可少计算机网络2.物理层：传输媒体38通信系统模型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数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息计算机网络2.物理层：通信基础知识

传输系统：数字的/模拟的信号：数字的/模拟的物理层要完成信号转换问题39区分几个术语消息(Message)——

有意义的实体数据(data)——

运送消息的实体

(对消息进行编码)信号(signal)——

数据的电气的或电磁的表现

(数据的载体)声音是消息，用2进制数据来表示，转换成信号来传输计算机网络2.物理层：通信基础知识

40数据和信号的分类数据模拟数据数字数据信号模拟信号数字信号模拟的——随时间连续变化的数字的——离散的计算机网络2.物理层：通信基础知识

41模/数转换和数/模转换AnalogDataAnalogSignal放大器调制器AnalogDataDigitalSignal

PCM编码器DigitalDataAnalogSignal调制器DigitalDataDigitalSignal

数字发送器数字传输系统模拟传输系统计算机网络2.物理层：通信基础知识

42信道基本概念单工通信—

只能有一个方向的通信而没有反方向的交互广播半双工通信—

通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送对讲机全双工通信—

通信的双方可以同时发送和接收信息电话计算机网络2.物理层：通信基础知识

43通信系统性能的基本参数（1）□信道带宽：信道能够通过的频率范围□比特率：单位时间内发送信息的比特数。比特/秒（bps）□波特率：每秒钟的采样率，每一个采样发送一份信息，这份信息称为码元，因此也称为码元率。波特（baud）

波特率和比特率的关系：比特率=波特率*码元位数计算机网络2.物理层：通信基础知识

44例：有一个信道，其最高码元传输速率为6000Baud若一个码元能携带1比特的信息量，则：最高信息传输速率为6000比特/秒若一个码元能携带3比特的信息量，则：最高信息传输速率为18000比特/秒01(1bitpersymbol)(3bitpersymbol)通信系统性能的基本参数（2）计算机网络2.物理层：通信基础知识

45基带信号基带信号--就是将数字信号1或0直接用两种不同

的电压来表示，然后送到线路上去传输计算机网络2.物理层：信号传输

01100010

讨论：基带信号传输？解决办法：调制问题1：基带信号含有较多低频成分，甚至有直流成分，而许多信道不能传输！导致结果：方形波无法直接传输46调制技术（1）--基带调制□基带调制--编码

-仅对基带信号的波形进行变换，以适应信道特征，变换后的信号仍然是基带信号。-可采用的编码方式主要有：不归零编码、归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码计算机网络2.物理层：信号传输

调制技术（2）--带通调制计算机网络2.物理层：信号传输

□带通调制--使用载波

-基带信号经过载波调制后，其频率范围搬移到较高的频段，同时转换为模拟信号，以便在信道中传输调制器主要作用：波形变换器，把基带数字信号的波形变换为适合模拟信道传输的波形。解调器主要作用：波形识别器，将经过调制器变换过的模拟信号恢复成原来的数字信号。在调制解调器中还要有差错检测和纠正的设施48计算机网络2.物理层：调制技术

调制器与解调器作用49调幅AM--通过调整载波振幅来表示数字信号调频FM--通过调整载波频率来表示数字信号调相PM--通过调整载波相位来表示数字信号正交振幅调制QAM—

混合调制方法带通调制技术（1）计算机网络2.物理层：调制技术

载波：正弦波50

调幅

调频

调相数字信号计算机网络2.物理层：调制技术

正常幅度为1,

0幅度为0低频为0，高频为1带通调制技术（2）51计算机网络2.物理层：调制技术

如何提高调制效率？

调幅：调制一次幅度代表多几个位！如4调幅技术1/4：00；1/2：01；3/4：10；1：11

调频：一般思路：通过更多的频段来调制信息。问题：频段本身就是通信资源。

结论：调频技术比较少的引用到现代的调制技术中

调相：多相位调制。如4相位、8相位调制等52信道传输比特率无限？(1)问题：调制的级别越多，即使一个很小的噪声就可能导致一个错误，同时一个错误有可能隐含了许多错误的位。结论：调制的级别不是越多越好!!结论：在信道上的数据传输速率不是无限的!问题：一条信道的最大传输速率是多少？计算机网络2.物理层：调制技术

53信道的最高码元传输速率（1）实际信道中，码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或干扰噪声越大，或传输媒体质量越差，输出端的波形的失真就越严重。限制码元传输速率因素：带宽和信噪比计算机网络2.物理层：调制技术

54□信道带宽一个信道的最大数据率□信噪比S——信号功率N——噪声功率信噪比（dB）=10log10(S/N)（dB）计算机网络2.物理层：通信基础知识

信道的最高码元传输速率（2）55Shannon定理（噪声信道）◆如果信道的带宽为W，信噪比为S/N，则该噪声信道的最大传输率为：最大传输率（位/秒）=Wlog2(1+S/N)当噪声不存在时？则S/N，传输速率可以为？

香农定理表明，信道的带宽越大或者信道中的信噪比越大，则信道的极限传输速率越高!计算机网络2.物理层：调制技术

56下一个问题:

W一定，且S/N和码元传输速率都达到上限，信道传输比特率还能提高吗？解决：让每一个码元携带更多比特的信息量+调制技术但，实际信道上达到的信息传输速率要比香农给出的极限传输速率低不少！计算机网络2.物理层：调制技术

信道传输比特率无限？(2)多路复用技术◆问题的提出：

（1）调制解调技术解决了信道上一路数字信号传输的问题（2）运营商希望在一条物理干线上传输多个会话新的问题：多路信号共享一个传输信道的问题计算机网络2.物理层：信道复用技术

多路复用技术+()复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念+A1A2B1B2C1C2A1A2B1B2C1C2共享信道(a)使用单独的信道(b)使用共享信道复用分用计算机网络2.物理层：信道复用技术

59基本复用技术FDM（频分多路复用）TDM（时分多路复用）STDM（统计时分复用）WDM（波分复用）CDMA（码分多址）计算机网络2.物理层：信道复用技术

60频分多路复用

基本原理：频谱分为频段，不同用户使用不同频段计算机网络2.物理层：信道复用技术

特点：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源；用户分配到带宽后，自始至终占用。频率时间频率1频率2频率3频率4频率561时分多路复用

基本原理：用户轮流使用整个带宽,每次使用一段时间计算机网络2.物理层：信道复用技术

频率时间BCDBCDBCDBCDAAAATDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧将时间划分为一段段等长的时隙，每个用户分配一个时隙；所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度。62时分复用特点（1）频率时间BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧计算机网络2.物理层：信道复用技术

63时分复用特点（2）频率时间CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧计算机网络2.物理层：信道复用技术

64时分复用特点（3）频率时间BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧计算机网络2.物理层：信道复用技术

65时分复用特点（4）频率时间BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM帧中的位置不变TDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧计算机网络2.物理层：信道复用技术

66时分复用可能会造成

线路资源的浪费ABCDaabbcdbcattttt4个时分复用帧#1④③②①acbcd时分复用#2#3#4用户使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。计算机网络2.物理层：信道复用技术

67改进：统计时分复用STDM

用户ABCDabcdttttt3个STDM帧#1④③②①acbabbcacd#2#3统计时分复用计算机网络2.物理层：信道复用技术

68波分复用WDM—光的频分复用光纤2光纤3光纤1共享光纤计算机网络2.物理层：信道复用技术

棱柱/衍射光栅F1F2F3共享光纤的光谱F2F1F3

光谱采用无源设备，更可靠WDM--在一根光纤上复用两路光载波信号

密集波分复用DWDM：复用80路或更多路数的光载波信号69又称码分多址CDMA所有用户信号均占用信道的全部带宽和任意时间段各用户使用经过精心挑选的不同码型，各用户之间不会造成干扰特点：很强的抗干扰能力，保密性强，语音质

量较好，可靠性好，通信容量大，手机平均发射功率低码分多路复用计算机网络2.物理层：信道复用技术

70

每一个站都被分配了一个惟一的m位的代码，称为时间片序列&码片

如m=8，站A的时间片序列为A=00011011

传输位“1”，发送时间片；传输位“0”，发送时间片的补码。如A站，发送位“1”，则发送00011011

发送位“0”，则发送11100100CDMA基本原理（1）问题：发送b位数据，实际发送mb位。Crazy！计算机网络2.物理层：信道复用技术

扩频通信技术--源站所占用的频带宽度提高到原来的M倍！71□正交特性：所有的时间片都是两两正交（归一化

正交），即时间片S和T的内积(写为ST)为0A：00011011表示为：（-1，-1，-1，1，1，-1，1，1）B：00101110表示为：（-1，-1，1，-1，1，1，1，-1）SS=1SS=-1计算机网络2.物理层：信道复用技术

CDMA基本原理（2）72□数据发送：多个站点同时发送数据时，则发送信号线性相加如A发送1，同时B发送1，则发送A+B=（-1，-1，-1，1，1，-1，1，1）+

（-1，-1，1，-1，1，1，1，-1）

=（-2，-2，0，0，2，0，2，0）□数据接收：同时接收到信号，利用正交特性解码信息A（A+B）=AA+AB=1+0=1（表示发送了位1）B（A+B）=BA+BB=0+1=1（表示发送了位1）计算机网络2.物理层：信道复用技术

结论：内积结果为1，源站发送了位1；内积结果为-1，源站发送了位0；内积结果为0，源站没发数据；CDMA基本原理（3）73几种复用技术的比较FDM将大房间隔成若干个小房间，每个小房间里的人互相交流。TDM在同一个房间轮流发言的方式，但一次只能一个人说，一个说完，另一个继续。CDMA把所有的人放在一个大房间里，他们说着不同的语言。这样他要交流只要找自己的语言的那个，而不用担心别的语言的噪声。

计算机网络2.物理层：信道复用技术

74数字传输系统计算机网络2.物理层：数字传输系统

—模拟信号的数字化传输技术数字传输技术具有传输差错可控、易于复用等优点，目前已成为大容量、远距离通信的首选技术，也是远距离网络依赖的传输技术。

PCM脉码调制

—

用于模/数转换AnalogDataDigitalSignal

PCM编码器模/数转换过程：取样——量化——编码75PCM（1）采样周期Tt信号1001001111000010t编码t采样-2.18.20.9-2.8t量化-281-3计算机网络2.物理层：数字传输系统

76PCM（2）1001001111000010tPCM数据t还原t解码-281-3计算机网络2.物理层：数字传输系统

77PCM标准T-标准（24路）北美E-标准（30路）欧洲、中国、南美J-标准（24路）日本计算机网络2.物理层：数字传输系统

□为有效利用传输线路，对多个话路PCM信号进行

时分复用782.0488.44834.368139.264564.9921.5446.31244.736274.1761.5446.31232.06497.728397.20064kbpsJ1E1T1J2E2T2J3E3T3J4E4T4J5E5x30x24x24x4x4x4x4x7x5x4x6x3x4x4欧洲北美日本三大数字体系-T\E\J标准计算机网络2.物理层：数字传输系统

79PCM数字传输系统问题：

-速率标准不统一-精确同步传输没有实现SONET/SDH解决：SONET/SDH标准推出

-统一速率标准

-实现精确同步

-都采用时分多路复用技术计算机网络2.物理层：数字传输系统

80速率体系SONET-标准北美、日本每125us发送810字节数据（STS-1/OC-1）SONET基本带宽=810*8bits/125us=51.84Mbps（相当于T3/E3）SDH基本带宽=155.52Mbps（相当于OC-3）计算机网络2.物理层：数字传输系统

SDH-标准STM-1欧洲、中国对电信号STS-1对光信号

OC-1

三大数字体系在STM-1获得统一!!81宽带接入技术计算机网络2.物理层：宽带接入技术

82ADSL用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而

把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用DSL就是数字用户线，前缀x表示在数字用户线上实现的不同宽带方案;A表示非对称的计算机网络2.物理层：宽带接入技术

83ADSL特点上行和下行带宽不对称上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器ADSL调制解调器目前采用离散多音调DMT调制技术“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思计算机网络2.物理层：宽带接入技术

84DMT频谱划分…频谱频率上行信道传统电话04下行信道…(kHz)~40~138~1100计算机网络2.物理层：宽带接入技术

DMT调制技术采用频分复用方法1、把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，一部分用于上行信道，一部分用于下行信道2、每个子信道占据4kHz带宽ADSL的数据率由于用户线的具体条件往往相差很大，当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量，以确定采用什么调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。——自适应ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。——尽力而为计算机网络2.物理层：宽带接入技术

ADSL的组成ATU-CATU-CATU-RATU-C用户线

电话分离器

区域宽带网至ISP居民家庭基于ADSL的接入网端局或远端站DSLAM至本地电话局PSPS数字用户线接入复用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接单元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）A