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1、计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 第第 2 2 章章 物物 理理 层层 2.1 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 2.3 2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体 2.4 2.4 模拟传输与数字传输模拟传输与数字传输 2.5 2.5 信道复用技术信道复用技术 2.6 2.6 同步光纤网同步光纤网SONETSONET和同步数字系列和同步数字系列SDHSDH 2.7 EIA-232-E2.7 EIA-232-E接口标准接口标准 退出退出 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 2.1 2.1 物理层
2、的基本概念物理层的基本概念 用于物理层的协议也常称为物理层规程规程 (procedure)。 可以将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： （1 1）机械特性。）机械特性。 （2 2）电气特性。）电气特性。 （3 3）功能特性。）功能特性。 （4 4）规程特性。）规程特性。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 在物理连接上的传输方式一般都是串行传输串行传输，即 一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是，有时 也可以采用多个比特的并行传输并行传输方式。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识
3、2.2.1 2.2.1 数据通信系数据通信系统统的模型的模型 两个PC机经过普通电话机的连线，再经过公用电 话网进行通信。 如图3-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部 分，即源系统源系统(或发送端发送端)、传输系统传输系统(或传输网络 传输网络)和目目 的系统的系统(或接收端接收端)。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 源系统一般包括以下两个部分： （1）源站源站。 （2）发送器发送器。 目的系统一般包括以下两个部分： （1）接收器接收器。 （2）目的站目的站。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 数据数
4、据(data)是运送信息的实体，而信号信号(signal)则是 数据的电气的或电磁的表现。无论数据或信号，都可 以是模拟的或数字的。所谓“模拟的模拟的”就是连续变化的 ，而“数字的数字的”就表示取值是离散的。因此，数字数据 数字数据 (digital data)就是用不连续形式表示的数据。 将数字数据转换为模拟信号的过程叫作调制调制。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模 拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况： （1）模拟数据、模拟信号模拟数据、模拟信号。 （2）模拟数据、数字信号模拟数据、数字信号。 （3）数字数据、模拟信号数字数
5、据、模拟信号。 （4）数字数据、数字信号数字数据、数字信号。 图3-2给出了模拟的和数字的数据、信号的示意图 。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 2.2.2 2.2.2 有关信道的几个基本概念有关信道的几个基本概念 从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方 式。 （1）单向通信单向通信：又称为单工通信单工通信，即只能有一个方向的通 信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播 就属于这种类型。 （2）双向交替通信双向交替通信：又称为半双工通信半双工通信，即通信的双方都 可以发送信息，但不能双方同时发
6、送(当然也就不能同时接收)。 这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 （3）双向同时通信双向同时通信：又称为全双工通信全双工通信，即通信 的双方可以同时发送和接收信息。 有时也常用“单工单工”这个名词表示“双向交替通信” 。 信道可以分成传送模拟信号的模拟信道模拟信道和传送数 字信号的数字信道数字信道两大类。但应注意，数字信号在经 过数模变换后就可以在模拟信道上传送，模拟信号在 经过模数变换后也可在数字信道上传送。 信道上传送的信号还有基带基带(baseband)信号和宽带宽带 (broadband)信号之分。 计 算 机
7、网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 2.2.3 2.2.3 信道上的最高信道上的最高码码元元传输传输 速率速率 图3-3给出了一个数字信号通过实际的信道和质量 很差的信道时的输出波形。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最在理想低通信道下的最 高码元传输速率的公式高码元传输速率的公式： 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud (3-1) 这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)； Baud是波特波特，是码元传输速率的单位码元传输速率的单位，1波特为每 秒传
8、送1个码元。 式(3-1)就是著名的奈氏准则奈氏准则。奈氏准则的另一种 表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传每赫带宽的理想低通信道的最高码元传 输速率是每秒输速率是每秒2 2个码元个码元。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 对于具有理想带通矩形特性的信道具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W)， 奈氏准则就变为： 理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud (3-2) 即每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每 秒秒1 1个码元个码元。 强调以下两点： （1）一个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
9、的这个上限数值。 （2）波特是码元传输的速率单位码元传输的速率单位，它说明每秒传 多少个码元。码元传输速率也称为调制速率调制速率、波形速波形速 率率或符号速率符号速率。 比特是信息量的单位信息量的单位，与码元的传输速率“波特” 是两个完全不同的概念。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 2.2.4 2.2.4 信道的极限信息信道的极限信息传输传输 速率速率 信道的极限信息传输速率信道的极限信息传输速率C可表达为 C = W log2(1+S/N) bit/s (3-3) 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。 式(3
10、-3)就是著名的香农公式香农公式。香农公式表明，信道的带宽或信道的带宽或 信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要 提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携必须设法使每一个码元能携 带更多个比特的信息量带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制多元制(又称为 多进制)的调制方法。 图3-4说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统 中的作用范围。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理
11、层 2.3 2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体 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，即导向传输媒体和非导向传输 媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒 体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空 间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传 输。图3-5是电信领域使用的电磁波的频谱。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 2.3.1 2.3.1 导导向向传输传输 媒体媒体 1 1双绞线双绞线 把两根互相绝缘的铜导线
12、并排放在一起，然后用规则的方法 绞合绞合(twist)起来就构成了双绞线。 从用户电话机到交换机的这段线称为用户线用户线或用户环路用户环路 (subscriber loop)。 图3-6是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 2 2同轴电缆同轴电缆 同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞 合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单 股的)以及保护塑料外层所组成(图3-7)。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 通
13、常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两 类： （1）50 同轴电缆 50 同轴电缆又称为基带同轴电缆基带同轴电缆。 在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码 方法。图3-8画的是未经编码的原基带数字信号和在计 算机网络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特曼彻斯特 (Manchester)编码编码和差分曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 （2）75 同轴电缆 75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆宽带同轴电缆。 在计算机通 信中，“宽带系统宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技是指采用了频分复用和模
14、拟传输技 术的同轴电缆网络术的同轴电缆网络。 双电缆系统双电缆系统的示意图如图3-9(a)所示。头端头端 (headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来的信 息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上收 到发送给它们的信息。 图3-9(b)为单电缆系统单电缆系统。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 3 3光缆光缆 光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要 由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细，其直 径只有8 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。包层 较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的媒体射 向低折射率的
15、媒体时，其折射角将大于入射角(如图3- 10所示)。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 图3-11画出了光波在纤芯中传播的示意图。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于 某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在 许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多模光纤(如图3-12(a)所示)。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。 这样的光纤就称为单模光纤单模光纤(图3-12(b)。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 图3-13为四芯光缆剖面的示意图。 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 计 算 机 网 络 教 程 第 3 章 物 理 层 光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具 有其他的一些特点： （1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特 别经济。 （2）抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉 冲干扰的环境下尤为重要。 （3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截 取数据。 （4）体积小，重量轻。 计 算 机 网 络
