計算機網絡第2章物理層

西南財經高校經濟信息工程學院劉家芬jfliu@2.1物理層的基本概念物理層的作用是盡可能屏蔽掉底層硬件設備和傳輸介質的差異，主要任務為描述與確定：機械特性指明接口所用接線器的形態和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。過程特性指明對于不同功能的各種可能事務的出現依次。2.2數據通信的基礎學問

2.2.1數據通信系統的模型傳輸系統輸入信息輸入數據發送的信號接收的信號輸出數據源點終點發送器接收器調制器PC機公用電話網解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數據通信系統源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC機幾個術語通信的目的是傳送消息，如語音、文字、圖像等。數據(data)——運輸消息的實體。信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現。“模擬的”(analogous)——代表消息的參數的取值是連續的。“數字的”(digital)——代表消息的參數的取值是離散的。2.2.2有關信號的幾個基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)。雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發送和接收信息。基帶(baseband)信號和

帶通(bandpass)信號基帶信號（即基本頻帶信號）——來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬于基帶信號。基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而很多信道并不能傳輸這種低頻重量或直流重量。因此必需對基帶信號進行調制(modulation)。帶通信號——把基帶信號經過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道）。幾種最基本的調制方法對基帶信號進行調制(modulation)的方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變更。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變更。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數字信號而變更。對基帶數字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調幅調頻調相2.2.3信道的極限容量學者始終致力于提高數據傳輸速率。但傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴峻。任何實際的信道都不是志向的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。數字信號通過實際的信道有失真，但可識別失真大，無法識別實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發送信號波形接收信號波形發送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形限制信道傳輸速率的因素信道能夠通過的頻率范圍信噪比信道能夠通過的頻率范圍在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的識別成為不行能。1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的志向條件下，為了避開碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。假如信道的頻帶越寬，能夠通過的信號高頻重量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。(2)信噪比1948年香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

香農公式表明信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。請留意對于頻帶寬度已確定的信道，假如信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有方法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。2.3物理層下面的傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介分成兩大類導向傳輸媒體：電磁波被導向沿著固體媒體傳播非導向傳輸媒體：電磁波在自由空間傳播2.3.1導向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜各種電纜銅線銅線聚氯乙烯套層聚氯乙烯套層屏蔽層絕緣層絕緣層外導體屏蔽層絕緣層絕緣疼惜套層內導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜光纖的工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射2.3.2非導向傳輸媒體無線傳輸所運用的頻段很廣。短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛星通信共享信道2.4信道復用技術

2.4.1頻分復用、時分復用和統計時分復用

復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不運用復用技術(b)運用復用技術頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在支配到確定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的全部用戶在同樣的時間占用不同的頻率帶寬。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的全部用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用可能會造成

線路資源的奢侈ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶運用時分復用系統傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發性質，用戶對支配到的子信道的利用率一般是不高的。統計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統計時分復用1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分復用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調制器光解調器2.4.3碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)碼分多址：各用戶運用經過特殊選擇的不同碼型，彼此不會造成干擾。起初用于軍事，發送的信號有很強的抗干擾實力，其頻譜類似于噪聲，不易被敵人發覺。現廣泛用于民用通信，可提高話音質量和數據傳輸的牢靠性，增大通信系統的容量，降低手機的平均放射功率等。2.6寬帶接入技術

2.6.1xDSL技術xDSL技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。標準模擬電話信號的頻帶被限制在300~3400Hz的范圍內，而用戶線本身實際可通過的信號頻率超過了1MHz。xDSL技術就把0~4kHz低端頻譜留給傳統電話運用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網運用。DSL就是數字用戶線(DigitalSubscriberLine)的縮寫。而DSL的前綴x則表示在數字用戶線上實現的不同寬帶方案。ADSL的特點上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線