(10)-2物理层计算机通信网

物理层导语

数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)物理层是参考模型中最底层，它没有下一层的支撑，它为数据链路层服务。提供服务物理层宽带接入传输介质做什么比特传输物理层接口数据通信传输方式信道容量有什么设备怎么传用什么传怎么接入核心网怎么共享信道复用技术物理层做什么？怎么做？主机H1

S1

R1

R2

百度服务器驱动案例中物理层完成了什么？Internet第1讲物理层基本功能数据链路层5应用层4运输层3网络层2数据链路层1物理层应用层(applicationlayer)运输层(transportlayer)网络层(networklayer)数据链路层(datalinklayer)物理层(physicallayer)物理层是参考模型中最基础的一层，它没有下一层的支撑，它为数据链路层服务。1.物理层的任务和功能物理层的任务：确定与传输媒体有关的接口特性。包括：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。物理层的功能：在两个网络设备之间提供透明的比特流传输四类接口特性机械特性(mechanicalcharacteristics)

描述接口的形状、尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。电气特性(electricalcharacteristics)

描述在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性(functionalcharacteristics)

描述某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。规程特性(proceduralcharacteristics)

描述对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。典型例子：EIARS-232-C1960年美国电子工业协会EIA提出RS-2321963年提出RS-232-A1965年提出RS-232-B1969年提出RS-232-C。用于DTE/DCE之间的接口。典型例子：EIARS-232-C机械特性(mechanicalcharacteristics)

描述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。电气特性(electricalcharacteristics)

对于数据传输：低于-3V为“1”高于+3V为“0”典型例子：EIARS-232-C引脚简写功能说明1CD载波侦测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端设备5GND地线6DSR数据准备好7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃指示9156功能特性(functionalcharacteristics)

描述某条线的作用和功能。规程特性(proceduralcharacteristics)

描述对于不同功能的各种可能事件的出现顺序第2讲数据通信基础数据通信的基础知识数据通信系统的模型有关数据通信的基本概念信道的极限容量1.数据通信系统的模型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调制解调器PC公用电话网调制解调器PC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）。常用术语数据(data)：运送消息的实体，如：文本、图片、视频等。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。通信方式的分类单工通信（单向通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。半双工通信（双向交替通信）：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)。全双工通信(双向同时通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。单播、广播、组播单播：1对1通信广播：1对所有通信组播：1对部分通信基带信号基带信号（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)。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）。(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(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0相π相0相π相2.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）接收信号波形有失真，但可识别失真大，无法识别影响码元传输速率的因素

从概念上讲，影响码元在信道上的传输速率的因素有两个：频率范围信噪比(1)理想信道的最大传输速率1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。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。在无噪声信道中，当带宽为WHz，最大传码率B为：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。B=2*W(Baud)(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。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。(3)香农公式（噪声信道最大传输速率）1948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。C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)第3讲传输介质背景引入教学内容传输介质的分类常用的传输介质双绞线同轴电缆光纤无线电波传输介质的典型应用传输介质的分类导引型传输媒体：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：一般就是无线电波。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。导引型传输介质双绞线同轴电缆光纤双绞线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常用的双绞线的类别、带宽和典型应用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）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RJ45接口直通线、交叉线、控制线头端尾端金属脚在前卡栓(弹片)在后直通线：两头都是568A或者568B交叉线：一头是568A，另一头是568B控制线：两头线序相反1和32和6互换直通线连接不同设备两头都是568A或者568B交叉线连接相同设备一头是568A，另一头是568B控制线的应用控制线两头线序相反用于网络设备配置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。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光纤折射角入射角

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）包层纤芯纤芯：透明石英玻璃直径：μm级别传输速率快、衰减小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。单模光纤和多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)的比较无线电波无线传输所使用的频段很广。无线广域网：3G、4G、5G。无线局域网：Wi-Fi（2.4GHz、5.8GHz）传输介质的典型应用双绞线组网：一般一个网段，传输距离不超过100米，用五类线、六类线。传输距离超过100米，每隔100米用转发器连接，最多可以连4个，组成500米的网段。光纤组网：传输距离超过500米，一般直接用光纤。FTTH无线组网：Wi-Fi小结传输介质无线有线双绞线同轴电缆光纤：用途性能：直通线交叉线控制线五类线、超五类线、六类线单模、多模第4讲信道复用信道复用的概念A1A2B1B2C1C2(a)使用单独的信道+()+A1A2B1B2C1C2共享信道(b)使用共享信道复用分用复用的示意图复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。信道复用

频分复用(FMD)时分复用(TDM)波分复用(WDM)码分复用(CDM)FDM(FrequencyDivisionMultiplexing)

频率时间频带1频带2

频带n频带3频分复用频分复用：所有用户在相同的时间占用不同的频带，进行数据传输TDM(TimeDivisionMultiplexing)时分复用：在同一频段上，将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。频率时间BCDBCDBCDBCDAAAATDM帧TDM帧TDM帧TDM帧…TDM帧周期性出现时分复用WDM(WavelengthDivisionMultiplexing)波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm8

2.5Gb/s1310nm20Gb/s复用器分用器EDFA120km光调制器光解调器8

2.5Gb/s1310nm波分复用的概念C=波长*频率码分复用CDM(CodeDivisionMultiplexing)C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)常用的名词是码分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。CDMA的基本原理是，各用户用不同的地址码来相互区分，而且地址码相互之间是正交的。它的理论基础是扩频通信抗干扰能力强当C不变时，W增加，S/N减小码片序列（地址码）实现了扩频地址码（码片序列）S11tttm

个码元发送信号数据码元比特码片序列(chipsequence)每个用户被分派一个唯一的mbit地址码，而且相互之间是正交的。※如发送比特1，则发送自己的mbit地址码。※如发送比特0，则发送该地址码的反码。例如，S用户的8bit地址码是00011011。※发送比特1

时，就发送序列00011011，※发送比特0时，就发送序列11100100。S用户的地址码：(–1–1–1+1+1–1+1+1)

-1代表01代表1码片序列的正交关系令向量S表示站S的地址码，令T表示其他任何站的地址码。两个不同站的地址码正交，就是向量S和T的规格化内积(innerproduct)等于0：互相关性为0正交关系的另一个重要特性任何一个用户地址码和自己的规格化内积都是1。任何一个用户地址码和自己反码的规格化内积都是-1自相关性CDMA工作原理S站的地址码S110ttttttm

个码片tS站发送的信号SxT站发送的信号Tx总的发送信号Sx+Tx规格化内积S

Sx规格化内积S

Tx数据码元比特发送端接收端小结信道复用：信道共享技术时分复用频分复用波分复用码分复用第5讲宽带接入技术教学内容接入网ADSL技术光纤同轴混合网（HFC网）FTTx技术接入网因特网的核心部分网络路由器接入网宽带接入技术用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP。在互联网的发展初期，用户都是利用电话线通过调制解调器连接到ISP的，电话用户线接入到互联网的速率最高只能达到56kbit/s。美国联邦通信委员会FCC认为只要双向速率之和超过

200kbit/s就是宽带。宽带接入技术从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：有线宽带接入：ADSL、HFC、FTTx无线宽带接入1.ADSL技术非对称数字用户线ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)技术就是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。标准模拟语音信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，一般不超过4k电话线实际可通过的信号频率超过1MHz，充分利用电话线的频带宽度DMT技术DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。每个子信道占据4kHz带宽（严格讲是4.3125kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。DMT（离散多音频）技术的频谱分布…频谱频率ADSL的数字业务上行信道传统电话04下行信道…(kHz)~40~138~110025个249个ADSL的传输距离ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。

0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mbit/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1Mbit/s时，传输距离就缩短为3.7公里。如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1Mbit/s的传输速率下就只能传送2.7公里。ADSL所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。ADSL的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的组成至ISP

区域宽带网ATU-CATU-CATU-CDSLAMPS基于ADSL的接入网用户线

电话分离器ATU-RPS居民家庭至本地电话局端局或远端站DSLAM(DSLAccessMultiplexer)：数字用户线接入复用器ATU(AccessTerminationUnit)：接入端接单元ATU-C(C代表端局CentralOffice) ATU-R(R代表远端Remote)PS(POTSSplitter)：电话分离器ADSL分离器和Modem

第二代ADSL包括ADSL2（G.992.3和G.992.4）和ADSL2+（G.992.5）通过提高调制效率得到了更高的数据率。ADSL2要求至少应支持下行8Mbit/s、上行800kbit/s的速率。ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz，下行速率可达16Mbit/s（最大传输速率可达25Mbit/s），而上行速率可达800kbit/s。2.光纤同轴混合网（HFC网）HFC(HybridFiberCoax)网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV

的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。HFC网对CATV网进行了改造。

HFC网的主干线路采用光纤HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fibernode)，即光分配结点ODN(OpticalDistributionNode)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。HFC网采用结点体系结构同轴电缆光纤光纤结点头端高带宽光纤同轴电缆光纤HFC网的结构图HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带频率(MHz)56587