计算机网络：物理层

2025/4/7计算机网络讲义1物理层2025/4/7计算机网络讲义第2页主要内容基本概念物理层的任务通讯系统基础两个公式传输媒体物理设备2025/4/7计算机网络讲义第3页物理层的主要任务将原始的bit流从一台机器上传输到另一台机器上确定与传输媒体的接口特性机械特性电气特性功能特性规程特性2025/4/7计算机网络讲义第4页通信基础傅立叶变换法国数学家傅里叶发现，任何周期函数都可以用正弦函数和余弦函数构成的无穷级数来表示

2025/4/7计算机网络讲义第5页函数展开成傅立叶级数若周期为的周期函数满足条件(1)在区间连续或只有有限个第一类间断点；(2)在区间只有有限个极值点，则函数可展开成傅立叶级数例如：2025/4/7计算机网络讲义第6页如图所示的四个图形为取三角函数级数的前1，2，3，6项所得到的曲线与矩形波的逼近程度．

(a)

(b)(c)(d)2025/4/7计算机网络讲义第7页由于信号在传输过程中会损失一些能量，引起增幅的减小，但是线路对于不同的傅立叶分量的衰减不同，因此叠加之后的信号出现了变形。2025/4/7计算机网络讲义第8页2025/4/7计算机网络讲义第9页因此即使是在无噪音（干扰）的情况下，由于信号的衰减，一条信道的传输率也是有一定范围的，奈奎斯特定理描述了这一情况。香农进一步研究了在有噪音的情况下信道的最大传输率问题。2025/4/7计算机网络讲义第10页基本概念信道(Channel)

：向某一个方向传输信息的媒体。信号（Signal）：数据的电气的或者电磁的表现。带宽：带宽通常指信号所占据的频带宽度；在被用来描述信道时，带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。对于模拟信号而言，带宽又称为频宽，以赫兹（Hz）为单位。码元(CodeCell)：时间轴上的一个信号编码单元波特（Baud）：码元传输速率的单位比特率(BitRate)：数据传输速率(bps，b/s)2025/4/7计算机网络讲义第11页●通信系统模型通信的三个要素：信源、信宿和信道任何一个通信系统都可以抽象为以下模型：噪声信源编码调制信道解调解码信宿编码器：数据

适合传输的信号——便于识别、纠错调制器：信号

适合传输的形式——按频率、幅度、相位解码器：传输信号

原始数据解调器：接收波形

数字信号序列基本概念－通讯系统基础2025/4/7计算机网络讲义第12页基本概念信源：产生要传输数据的设备；信宿：从接收器获取传送来的信息的设备：调制、解调将数字数据转换为模拟信号的过程称之为调制；有调幅、调频、调相三种基本方式。将模拟信号转换为数字数据的过程称之为解调；2025/4/7计算机网络讲义第13页编码曼切斯特编码和差分曼切斯特编码出现连续的1/0时如何区分？曼切斯特编码利用跳变来表示1/0差分曼切斯特编码--前半个码元的电平与前一个码元的后半个码元电平一样为1，反之为0。2025/4/7计算机网络讲义第14页2025/4/7计算机网络讲义第15页信息→数据→信号→在介质上传输→信号→数据→信息通信系统的任务信息通过通信系统传输

把携带信息的数据用物理信号形式通过介质传送到目的地。

信息和数据（0、1比特）不能直接在介质上传输。基本概念－通讯系统基础2025/4/7计算机网络讲义第16页M最大数据率

(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bpsC=2Wlog2MC=传输率，单位b/s或bpsW=带宽，单位HzM=信号电平级数例如：话音级线路(3000Hz)的信道容量计算，如右图所示。Nyquist公式为估算已知带宽信道的最高速率提供了依据。计算信道最大数据传输率

－尼奎斯特(Nyquist)公式：用于理想低通信道基本概念－两个公式2025/4/7计算机网络讲义第17页实际的信道上存在三类损耗：衰减、延迟、噪声。a）衰减

信道的损耗引起信号强度减弱，导致信噪比S/N降低。b）延迟信号中的各种频率成分在信道上的延迟时间各不相同，在接收端会产生信号畸变。c）噪声

热噪声：由导体内的热扰动引起，又称为白噪声。

串扰：信道间产生的不必要的耦合。例：多对双绞线

脉冲噪声：非连续、随机、振幅较大。多由外部电磁干扰造成（闪电、大功率电机启动等）。噪声将破坏信号，产生误码。持续时间0.01s的干扰可以破坏约560个比特（56Kbps）。基本概念－两个公式2025/4/7计算机网络讲义第18页非理想信道传输率计算公式

－香农(Shannel)公式S/NdB

信噪比（dB分贝）的定义C=Wlog2(1+SN)S/NdB=10log10S/N例：信道带宽W=3KHz，信噪比为30dB，则

C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsC=传输率，单位b/sW=带宽，单位Hz

即：基本概念－两个公式2025/4/7计算机网络讲义第19页Nyquist公式和Shannel公式的比较●C=2Wlog2M

此公式说明数据传输率C随信号编码级数增加而增加。●C=Wlog2(1+S/N)

无论采样频率多高，信号编码分多少级，此公式给出了信道能达到的最高传输速率。原因：噪声的存在将使编码级数不可能无限增加。基本概念－两个公式2025/4/7计算机网络讲义第20页本章重点基本概念物理层的任务通讯系统基础两个公式传输媒体物理设备传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第21页传输媒体(介质)磁介质

高带宽、低费用、高延时（小时）例：7GB/8mm，1000盘/50*50*50cm，24h可送到任何地方。总容量=7*1000*8Gbits，总时间=24*60*60=86400s

传送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s金属导体双绞线、

同轴电缆(粗、细)光纤无线介质无线电、短波、微波、卫星、光波传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第22页●双绞线内导体芯线绝缘箔屏蔽铜屏蔽外套--螺旋绞合的双导线，

≈1mm--每根4对、25对、1800对--典型连接距离100m（LAN）--RJ45插座、插头--优缺点：成本低密度高、节省空间安装容易（综合布线系统）平衡传输（高速率）抗干扰性一般连接距离较短传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第23页屏蔽双绞线(STP)&非屏蔽双绞线(UTP)以铝箔屏蔽以减少

干扰和串音3类、5类、6类（16M、155M、1200M）双绞线外没有任何附加屏蔽传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第24页RJ-45接口由金属片和塑料构成，特别需要注意的是引脚序号，当金属片面对我们的时候从左至右引脚序号是1～8双绞线的制作2025/4/7计算机网络讲义第25页EIA/TIA的布线标准中规定了两种双绞线的线序568A与568B。标准568B： 橙白--1，橙--2，绿白--3，蓝--4，蓝白--5，绿--6，棕白--7，棕--8；标准568A： 绿白--1，绿--2，橙白--3，蓝--4，蓝白--5，橙--6，棕白--7，棕--8。直通线：两头都按T568B线序标准连接。交叉线：一头按T568A线序连接，一头按T568B线序连接。2025/4/7计算机网络讲义第26页●同轴电缆基带同轴电缆

一条电缆只用于一个信道，50

，用于数字传输宽带同轴电缆

一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75

，用于模拟传输，300—450MHz，100km，需要放大器

铜芯绝缘层外导体屏蔽层保护套传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第27页

细同轴

--50

，D=1.02cm，10Mbps

--185m、4中继、5段（925m）

--优缺点：价格低 安装方便（T型连接器、BNC接头、Terminator）

抗干扰能力强 距离短 可靠性差

粗同轴

--50

，D=2.54cm，10Mbps--500m、4中继、5段（2500m）

--优缺点：价格稍高 安装方便（收发器、收发器电缆、Terminator）

抗干扰能力强 距离中等

可靠性好

传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第28页光纤依靠光波承载信息速率高，通信容量大

仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）传输损耗小，适合长距离传输抗干扰性能极好，保密性好轻便传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第29页光纤传输原理——利用了光的反射

光从一种介质入射到另一种介质时会产生折射。折射量取决于两种介质的折射率。当入射角≥临界值时产生全反射，不会泄漏。

光纤：纤芯-折射率高、玻璃包层-折射率低

亮度调制，有脉冲-1，无脉冲-0

光传输系统：光源、介质、光检测器 光源:850nm/1300nm/1500nm

发光二极管/激光二极管

介质:光纤 光检测器:光电二极管PIN/雪崩二极管APD

单向传输，双向需两根光纤传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第30页光纤目前数据传输的性能：单模光纤：是指的在某一特定的角度、在同一时刻所进入光纤的光束，只能有一束，且光束不能发散；因此单模光纤的光源采用的是激光。多模光纤：是指的在某一特定的角度、在同一时刻所进入光纤的光束，可为多束；因此多模光纤的光源采用的是发光二极管（LED）传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第31页

多模MMF

输入电信号输出电信号单模SMF

波长:1300,1550nm波长

:850,1300nmh2h1芯/封套特性h1h2光纤的直径减小到一个光波波长多束光线以不同的反射角传播单束光线沿直线传播传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第32页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常见规格：玻璃内芯——50um缓变型MMF 62.5um缓变/增强型MMF 8.3um突变型SMF

玻璃包层——125um传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第33页●高密度多芯光缆剖面结构芯封套外套加强芯光纤外鞘加强芯光纤束传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第34页光纤目前数据传输的性能：FDDI当时规定的传输速率为100Mb/s，目前以上升到1000Mb/s、10Gb/s它的段长的最大距离目前可达到200Km，甚至还可以再长，这主要取决与光缆终端设备（光纤收发器）。它的最大段数目前可达一千多段（无限）传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第35页●无线介质使用电磁波或光波携带信息无需物理连接适用于长距离或不便布线的场合易受干扰保密性差传输媒体2025/4/7计算机网络讲义第36页无线电固定终端点（基站）和终端之间是无线链路BS基站

用户计算机和终端BS基站覆盖的无线电区域F2F3F1F2F3F1F2F3F