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1、1计算机网络教科书：计算机网络 谢希仁 电子科技出版社参考书：计算机网络影印本清华大学出版社 物理层的基本概念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： o 机械特性 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。o 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。o 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。o 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 2o为了使不同厂家生产的 DTE、 DCE设备便于连接，物理层的机械特性对插头和插座的几何尺寸、插针或插孔芯数及其排列方式、锁定装置形式作了详细的规定，其几何尺寸与 DCE连
2、接相配合，插针芯数和排列方式与 DCE连接器成镜像对称。1机械特征ISO标准化了 DCE连接器的几何尺寸及插孔芯数和排列方式。一般来说， DTE的连接器常用插针形式，其几何尺寸与 DCE连接器相配合 . 物理层的电气特征规定了导线的电气连接及有关电路的特性，指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。2电气特征o 物理层 的功能特性规定了接口信号的来源、作用以及其它信号之间的关系 。o 具体而言，功能特性指明某条线上出现的某个电平的电压表示何种意义。3信号的功能特征 物理层的规程特性规定了使用交换电路进行数据交换的控制步骤，这些控制步骤的应用使得比特流传输得以完成。o 指明了对于不同功能的各种可
3、能事件的出现顺序。74规程特征补充知识：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 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PC 机8几个术语o 数据 (data)运送消息的实体。o 信号 (signal)数据的电气的或电磁的表现。 o “模拟的 ”(analogous)代表消息的参数的取值是连续的。 o “数字的 ”(digital)代表消息的参数的取值是离散的。 o 码元 (code)在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不
4、同离散数值的基本波形。9有关信号的几个基本概念o单向通信 （单工通信） 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。o双向交替通信 （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 )。o双向同时通信 （全双工通信） 通信的双方可以同时发送和接收信息。 10基带 (baseband)信号和带通 (band pass)信号 o 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。o 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 (m
5、odulation)。 o 带通信号 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。 11常用编码方式不归零制曼彻斯特编码比特流 1 11 110 0 0 0 0出现电平转换差分曼彻斯特编码不归零制：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；曼切斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，向下跳变代表 1；反之也可以定义差分曼切斯特：位周期边界有跳变表示 0，位边界没有跳变表示 1几种最基本的调制方法 o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
6、决这一问题，就必须对基带信号进行 调制 (modulation)。 o最基本的二元制调制方法有以下几种：n 调幅 (AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 n 调频 (FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。n 调相 (PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 13对基带数字信号的几种调制方法 0 1 0 0 1 1 1 0 0基带信号调幅调频调相14信道的极限容量 o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。 o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。 15数字信号通过实际的信道 o有失真，但 可识别o失真大， 无法
7、识别 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1617(1)奈奎斯特定理（无噪声信道）o在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现 码间串扰 的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。o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。 18奈奎斯特公式表明(2) 香农定理（有噪声信道）o1948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。o信道的极限信息传输
8、速率 C 可表达为o C = W log2(1+S/N) b/s n W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；n S 为信道内所传信号的平均功率；n N 为信道内部的高斯噪声功率。 19香农公式表明 o 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。 o 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。 o 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 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速率 C 也就没有上限。o 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。 20例：带宽为 50Hz的信道，若有 16种不同的物理
9、状态来表示数据，信噪比为 20dB，问该信道的最大数据传输率是多少？21请注意 o对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 o举例说明如何实现？22物理层下面的传输媒体无线电 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)fLF MF HF VHF UHF SHF EHF THF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 101
10、6100 102 104 106 108 1010 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23导向传输媒体o双绞线n 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)n 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) o同轴电缆n 50 同轴电缆n 75 同轴电缆o光缆 24各种电缆铜线 铜线聚氯乙烯 套层聚氯乙烯套层屏蔽层绝缘层绝缘层外导体屏蔽层 绝缘层绝缘保护套层内导体无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP同轴电缆25光线在光纤中的折射 折射角入射角包层（低折射率的媒体）包层（
11、低折射率的媒体）纤芯（高折射率的媒体） 包层纤芯26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27输入脉冲 输出脉冲单模光纤多模光纤与单模光纤输入脉冲 输出脉冲多模光纤28非导向传输媒体 o无线传输所使用的频段很广。o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。o微波在空间主要是直线传播。 n 地面微波接力通信n 卫星通信 29共享信道信道复用技术频分复用、时分复用和统计时分复用 o复用 (multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道A1 A2B1 B2C1 C2信道信道A1 A2B1 B2C1 C2复用 分用(a) 不使用复
12、用技术 (b) 使用复用技术30频分复用 FDMo 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。o 频分复用 的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的 “带宽 ”是频率带宽而不是数据的发送速率）。 频率时间频率 1频率 2频率 3频率 4频率 531时分复用 TDM(Time Division Multiplexing) o 时分复用 则是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。o 每一个用户所占用的时隙是 周期性地出现 （其周期就是 TDM 帧的长度）。o TDM 信号也称为 等时
13、 (isochronous)信号。o 时分复用的所有用户是在不同的时间占用 同样的频带宽度。32时分复用 频率时间B C D B C D B C D B C DA A A AA 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TDM 帧33时分复用 频率时间C D C D C DA A A AB B B B C DB 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TDM 帧34时分复用 频率时间B D B D B DA A A A BC C C C DC 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TDM 帧35时分
14、复用 频率时间B C B C B CA A A A B CD D D DD 在 TDM 帧中的位置不变TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧TDM 帧36时分复用可能会造成线路资源的浪费 ABCDaabbcdb cattttt4 个时分复用帧#1acbc d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。 37统计时分复用 STDM(Statistic TDM) 用户ABCDabcdttttt3 个 STDM 帧#1acbab b ca c d#2 #3统计时分复用38 1550 nm 0 1551 nm 11552 nm 21553 nm 31554 nm 41555 nm 51556 nm 61557 nm 70 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm
