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1、第2章 物理层Phisical Layer四川师范大学计算机科学学院 College of Computer Science Sichuan Normal University 刘霞本章主要内容本章主要内容n2.1 物理层的基本概念n2.2 数据通信的基础知识n2.3 物理层下面的传输媒体n2.4 信道复用技术n2.5 数字传输系统n2.6 宽带接入技术2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念n用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。n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：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。
2、电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。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。规程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。n数据在计算机中采用并行传输方式，但数据在通信线路上的传输方式是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。因此，物理层还要完成传输方式的转换。2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识n数据通信系统的模型n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。n一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端)。n源系统一般包括以下两个部分：源站和发送器。n目的系统一般包括以
3、下两个部分：接收器和目的站。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 正文正文数据通信系统源系统目的系统传输系统输出信息PC 机数据通信系统的模型几个术语几个术语n数据(data)运送信息的实体。n信号(signal)数据的电气的或电磁的表现。n“模拟的”(analogous)连续变化的。n“数字的”(digital)取值是离散数值。n调制把数字信号转换为模拟信号的过程。n解调把模拟信号转换为数字信号的过程。n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，代表不同离散数
4、值的基本波形。n波特是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、波形速率或符号速率或波特率。模拟的和数字的数据、信号模拟的和数字的数据、信号 模拟数据模拟信号放大器调制器模拟数据数字信号 PCM编码器数字数据模拟信号调制器数字数据数字信号 数字发送器 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：2.2.2 有关信号的几个基本概念有关信号的几个基本概念从通信双方信息交互的方式来看，可以有三种基本方式：n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。n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
5、时发送(当然也就不能同时接收)。n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。基带基带(baseband)信号和信号和带通带通(band pass)信号信号 n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。n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。n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)。n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
6、（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。几种最基本的调制方法几种最基本的调制方法 n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)。n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。对基带数字信号的几种调制方法对基带数字信号的几种调制方法 010011100基带信号调幅调频调相n波特率和比特率的关系比特率：用单位时间内传输的二进制代码的有效位(bit)
7、数来表示，其单位为每秒比特数bit/s(bps)、每秒千比特数(Kbps)或每秒兆比特数(Mbps)来表示。波特率：波特率指数据信号对载波的调制速率，它用单位时间内载波调制状态改变次数（即码元数）来表示。波特率与比特率的关系为：b=Blog2L(比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数（波形变换或码元数）)。n因此二者存在以下的情况：若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则波特率和比特率在数值上相等。若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M 个码元的传输速率所对应的信息传输速率为 M n b/s。n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
8、个码元能携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制(又称为多进制)的调制方法。n如，当采用16元制时，每个码元可以携带4bit的信息。一个标准电话话路的频带为300-3400Hz，即带宽为3100Hz，其中接近理想信道的带宽为2400Hz。若使码元的传输速率为2400码元/秒，则信息的传输速率可达到9600bit/s。正交振幅调制正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)r(r,)可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。由于4 bit 编码共有16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit
9、的编码。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。举例(a)QPSK.(b)QAM-16.(c)QAM-64.2.2.3 信道的极限容量信道的极限容量 n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。n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。数字信号通过实际的信道数字信号通过实际的信道 n有失真，但可识别n失真大，无法识别 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(1)信道能够通过的频率范围信道能够通
10、过的频率范围n1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他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。n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。n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。(2)信噪比信噪比 n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。n信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C=W log2(1+S/N)b/s nW 为信道的带宽（以 Hz
11、 为单位）；nS 为信道内所传信号的平均功率；nN 为信道内部的高斯噪声功率。香农公式表明香农公式表明 n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。n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。n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。n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。W=4MHz 3MHz=1MHz 利用香农公式，该信道最大传输率为：例：某信道的频谱在3MHz到4MHz之间，信噪比SNR为24分贝，求该信道最大的传输率。请注意
12、请注意 n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。2.3 物理层下面的传输媒体物理层下面的传输媒体n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。n这里需强调一下，传输媒体处于物理层之下。在通信媒体上传输的是信号，传输媒体本身没有物理层，因
13、此传输媒体并不知道它传输了多少比特，当然也更不知道传输了多少帧或分组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)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 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电信领域使用的电磁波的频谱n导向传输媒体n1双绞线把两根互相绝缘的铜导线并排放在
14、一起，然后用规则的方法绞合(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或用户环路(subscriber loop)。下图是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。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无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线 STPT568标准（双绞线标准（双绞线打线打线标准）标准）网络工程中一般均采用T568B的接线标准交叉线(1,2与3,6对调)直通或交叉线的选择n2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外导体屏蔽层绝缘层绝缘保护套层内导体n按特性阻抗数值的
15、不同，同轴电缆分为两类：50 同轴电缆，主要用于数据通信中传送基带数字信号。50 同轴电缆又称为基带同轴电缆。曾在局域网中广泛使用。n在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。下图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(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。75 同轴电缆75 同轴电缆又称为宽带同轴电缆。在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆网络。在传输模拟信号时，频率可高达500MHz，传输距离可达100km。其带宽通常划分为若干个独立的信道。比如每6MHz可传输一路电视信号，当用来传输数字信号时，数据率可达3
16、Mbit/s.目前同轴电缆主要用在居民小区中。n3光缆光纤通信是利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信。在发送方有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，他们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收方利用二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。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媒体时，其折射角将大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射。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n多模光纤多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤适合近距离传输。n单模光纤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。因纤芯很细，所以造价很高，但损耗小，可进行远距离传输。输入脉冲输出脉冲单模光纤输入脉冲输
