2023/7/20page1第3章物理層3.1物理層的基本概念

物理層主要考慮如何能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據的比特流，如使用什么傳輸介質，在傳輸介質上如何進行數據傳輸等，為數據鏈路層提供一個物理連接，以透明的傳送比特流。在傳輸媒體中傳輸的是信號，但傳輸媒體并不知道所傳輸的信號代表什么意思。但物理層由于規定了電氣特性，因此能夠識別所傳送的比特流。物理層本身并不是物理設備或物理媒體。

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注意：傳輸媒體不是是物理層！傳輸媒體在物理層的下面。由于物理層是體系結構的第一層，因此，有時稱傳輸媒體為0層。

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數據在物理連接上的傳輸方式：

1．并行傳輸方式發送端到接收端信道需要若干條，一次傳輸多個比特。發送端接收端信道1信道2信道3信道4信道5信道6信道7信道82023/7/20page42．串行傳輸方式發送端到接收端只要一根傳輸線，一個一個比特按照時間順序傳送。（遠距離數據傳輸常用）發送端并串轉換12345678串并轉換接收端123456781

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82023/7/20page52023/7/20page63.2數據通信基礎知識基本概念：

數據通信：依照一定協議，利用數據傳輸技術在兩個終端之間傳遞數據信息的一種通信方式和通信業務。數據(Data)：傳遞（攜帶）信息的實體。

模擬(Analog)數據：用連續變化形式表示的數據。

數字(Digital)數據：用不連續變化形式表示的數據。

信號(Signal)：數據的物理量編碼（通常為電編碼），是數據

的電氣或電磁表現，數據以信號的形式傳播。

模擬信號：是指隨時間連續變化的信號，時間上連續，包含無窮多個值。

數字信號：是指其值用離散狀態（即所謂的“二進制信號”）表示的信號。時間上離散，僅包含有限數目的預定值。2023/7/20page7

基帶信號：將數字信號1或0直接用不同的電壓來表示，然后送到線路上去傳輸。

寬帶信號：將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號。經過調制的基帶信號在不同頻段，可以在一條電纜中同時傳輸多路信號而不會發生相互干擾，提高線路利用率。2023/7/20page8tta)模擬信號b)數字信號ttTTTTTT周期信號非周期信號用電平的高低分別表示0或1信號種類圖示：2023/7/20page9模擬與數字的特點模擬：波動性；持續變化；反映事物的本質；在電信業已經被廣泛使用數字：離散性；躍變性；設備性能先進，成本低

2023/7/20page103.2.1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解調器PC機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號正文正文源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC機2023/7/20page113.2.2有關信道的幾個基本概念

信道是指信息傳輸的通道，即信息進行傳輸時所經過的一條通路。用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。一般分為數字信道和模擬信道：

數字信道：以數字脈沖形式（離散信號）傳輸數據的信道。模擬信道：以連續模擬信號形式傳輸數據的信道。

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數據：模擬數據、數字數據信號：模擬信號、數字信號信道：模擬信道、數字信道

不同類型的信號在不同類型的信道上傳輸有4種組合。2023/7/20page13話音模擬傳輸模擬數字調制器模擬模擬CODEC數字數字數字發送器數字模擬數據，模擬信號數字數據，模擬信號數字數據，數字信號模擬數據，數字信號101010102023/7/20page14

模擬傳輸與數字傳輸（1）模擬數據在模擬信道上傳輸話音信號電話系統中傳輸。人的語音頻率范圍是300—3400Hz，為了進行傳輸，國際標準取4KHz為一個標準話路所占用的頻帶寬度。語音信號以300—3400Hz頻率輸入，發送方的電話機把這個語音信號轉變成模擬信號，信號經過一個頻分多路復用器進行變化，使得線路上可以同時傳輸多路模擬信號，當到達接收端以后再經過一個解頻的過程把它恢復到原來的頻率范圍的模擬信號，再由接收方電話機把模擬信號轉換成聲音信號。電話機電話機模擬信號語音模擬信號語音多路復用器多路復用器2023/7/20page15

（2）數字數據在模擬信道上傳輸計算機和終端設備都是數字設備，它們只能接收和發送數字數據，而電話系統只能傳輸模擬信號，所以這個數字數據要進入到模擬信道以前要有一個變換器進行數字信號到模擬信號的轉換，以便它能在模擬信道上傳輸，這樣的一個變換過程叫調制（注意：這個調制過程并不改變數據的內容，僅是把數據的表示形式進行了改變）。這個變換器又叫做調制器(MOdulator)。調制器也即波形變換器,它將基帶數字信號的波形變換成適合于模擬信道傳輸的波形。而當調制后的模擬信號傳到接收端以后，在接收端也有一個變換器再對這個信號進行反變換，即又把它變回數字信號，這樣的一個變換過程叫解調。這個變換器又叫解調器(DEModulator)。解調器也即波形識別器，它將經過調制器變換過的模擬信號恢復成原來的數字信號。2023/7/20page16

由于計算機和終端設備之間的數據通信一般是雙向的，所以把這兩個設備合在一起形成我們通常所說的調制解調器（Modem）。調制解調器提供全雙工的數字信道。調制器解調器數據數據2023/7/20page17電話線RS232電纜線COM1或COM2串行口2023/7/20page18

調制解調器最基本的調制方法：（1）調幅（AM）即載波的振幅隨基帶數字信號而變化。例如，0對應于無載波輸出，而1對應于有載波輸出。（2）調頻（FM）即載波的頻率隨基帶數字信號而變化。例如，0對應于頻率f1，而1對應于頻率f2。（3）調相（PM）即載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。例如，0對應于相位0度，而1對應于180度。2023/7/20page19

（3）模擬數據在數字信道上傳輸

用數字信道傳輸模擬數據時，需要對模擬數據進行脈沖編碼調制（PCM）。它的目的是為了能使一條中繼線不只傳送一路電話而是可以同時傳送幾十路電話所設計的。

PCM是將模擬電話信號轉變為數字信號.

（4）數字數據在數字信道上傳輸利用Windows系統中自帶的“直接電纜連接”功能把兩個計算機通過串行口或并行口直接相連。在這種情況下通信的雙方發出的數據和接收的數據以及在信道上所傳輸的全部都是數字信號。2023/7/20page20IP

電話的原理話音編碼裝成分組分組緩存話音解碼因特網2023/7/20page21公用電話網IP電話網關

因特網PC普通電話

因特網PCPCIP電話的幾種連接方法公用電話網公用電話網IP電話網關IP電話網關因特網普通電話普通電話分組交換電路交換電路交換（市內電話）（市內電話）IP

電話網關是傳統電話與

IP電話的接口設備2023/7/20page22IP電話的質量TCP協議的重傳技術會產生時延。打電話是實時通信，不允許過大的時延。因此IP電話不使用TCP協議，而是使用UDP協議。IP電話寧可把出錯的分組丟棄，也不要遲到的、沒有差錯的分組。因此，IP電話的質量目前還不如傳統電話的質量（分組丟失、時延、時延抖動）。為了提高IP電話的質量，有的ISP在IP電話網關之間使用專用的寬帶線路。2023/7/20page23高速(56Kbps)MODEMA/DA/DD/AV.90(56kbps)ISP數字數字模擬上行仍需模數(A/D)轉換，速率最高為35kbps；下行則可達56Kbps至因特網(數字信號)交換機2023/7/20page24構成：本地回路、交換局、干線端局端局長途局中心局長途局本地回路準長途干線高帶寬長途干線準長途干線本地回路光纖、微波、同軸雙絞線雙絞線公用電話交換網PSTN(PublicSwitchedTelephoneNetwork)

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按照通信雙方信息在傳輸鏈路上的傳送方向，可分為：（1）單工通信：即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。如廣播，電視。單工通信只需要一條信道。發送設備接收設備數據流通信連接單工2023/7/20page26

（2）半雙工通信：信息的傳遞可以是雙向的，但不能雙方同時發送。如對講機。

發送設備接收設備發送設備接收設備數據流半雙工通信連接2023/7/20page27（3）全雙工通信：通信的雙方可以同時發送和接收信息。雙向交替或同時通信都需要兩條信道，往返各一條。雙向同時通信的傳輸效率最高。如：電話。

發送設備接收設備接收設備發送設備數據流全雙工通信連接2023/7/20page28

傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介,它是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路。導向傳輸媒體：電磁波被導向沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播。傳輸媒體非導向傳輸媒體：通常是指自由空間，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。

3.3物理層下面的傳輸媒體2023/7/20page29內導體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套--螺旋絞合的雙導線，≈1mm--每根4對、25對、1800對--典型連接距離100m（LAN）--RJ45插座、插頭--優缺點：成本低密度高、節省空間安裝容易（綜合布線系統）平衡傳輸（高速率）抗干擾性一般連接距離較短

模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到幾十公里。導線越粗，其通信距離越遠，導線價格越高。3.3.1導向傳輸媒體1.雙絞線(屏蔽STP、非屏蔽UTP)2023/7/20page30屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少干擾和串音3類、5類、6類（16M、155M、1200M）雙絞線外沒有任何附加屏蔽2023/7/20page312023/7/20page322.同軸電纜按電纜的直徑分：細同軸

--50，D=1.02cm，10Mbps

--185m、4中繼、5段（925m）

--優缺點：價格低 安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator） 抗干擾能力強 距離短 可靠性差粗同軸

--50，D=2.54cm，10Mbps--500m、4中繼、5段（2500m）

--優缺點：價格稍高 安裝方便（收發器、收發器電纜、Terminator） 抗干擾能力強 距離中等 可靠性好

2023/7/20page33按特性阻抗數值的不同：基帶同軸電纜

一條電纜只用于一個信道，50，用于數字傳輸寬帶同軸電纜

一條電纜同時傳輸不同頻率的多路模擬信號，75，用于模擬傳輸，300—450MHz，100km，需要放大器

銅芯絕緣層外導體屏蔽層保護套2023/7/20page34

BNCT型接頭

BNC桶型連接器BNC終結器（50歐）2023/7/20page352023/7/20page36

“5-4-3規則”，是指在10M以太網中中，網絡總長度不得超過5個區段，4臺網絡延長設備，且5個區段中只有3個區段可接網絡設備。即：一個網段最多只能分5個子網段；一個網段最多只能有4個中繼器；一個網段最多只能有三個子網段含有PC。

5-4-3規則的采用與網絡所允許的最大延遲有關。計算機發送數據后，如果在一定的時間沒有得到回應，那么，將認為是數據發送失敗，而不斷地重復發送，但對方卻永遠無法收到。2023/7/20page37

3.光纜依靠光波承載信息速率高，通信容量大傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好，保密性好輕（1公里長的1000對雙絞線約重8000kg，而同樣長度但容量大的多的一對光纖僅重100kg）●光纖傳輸原理——利用了光的反射光從一種介質(高折射率)入射到另一種介質（低折射率）時會產生折射。折射量取決于兩種介質的折射率。當入射角≥臨界值時產生全反射，不會泄漏。光纖：纖芯-折射率高、玻璃包層-折射率低光傳輸系統：光源:發光二極管/激光二極管 介質:光纖 光檢測器:光電二極管PIN/雪崩二極管APD2023/7/20page38折射角入射角

包層（低折射率的媒體）

包層（低折射率的媒體）包層纖芯高折射率(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2023/7/20page39

單向傳輸，雙向需兩根光纖●光纖傳送模式：MMF、SMF輸入脈沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖2023/7/20page402023/7/20page412023/7/20page42●高密度多芯光纜剖面結構芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束2023/7/20page432023/7/20page442023/7/20page452023/7/20page462023/7/20page473.3.2非導向傳輸媒體

使用電磁波或光波攜帶信息無需物理連接適用于長距離或不便布線的場合易受干擾無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛星地面微波

調幅無線電

調頻無線電

海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024

移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜2023/7/20page481.無線傳輸固定終端點（基站）和終端之間是無線鏈路BS基站

用戶計算機和終端BS基站覆蓋的無線電區域F2F3F1F2F3F1F2F3F1F2F2F3F1F1,F2,F3=使用的頻率GSM(GroupSpecialMobile)2023/7/20page492.地面微波接力通信兩個地面站之間傳送距離：50-100km通信容量大受干擾小成本較有線通信小相鄰站間必須無障礙易受天氣干擾隱蔽、保密性差維護成本高地球地面站之間的直視線路微波傳送塔2023/7/20page503.衛星通信與地面站相對固定位置使用3個衛星覆蓋全球通信容量大信號手干擾小傳輸延遲時間長（270ms）保密性差成本高36,000公里地球2023/7/20page51常用傳輸媒體的比較2023/7/20page52

多路復用技術就是將多路信號組合在一條物理信道上進行傳輸，到接收端再用專門的設備將各路信號分離開來。

3.5信道復用技術（Multiplexing）復用——

多個信息源共享一個公共信道

為何要復用？線路成本共享信道信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術2023/7/20page53

多路復用的方法：

1.頻分多路復用（Frequency-DivisionMultiplexing,FDM）頻分多路復用FDM利用傳輸介質可用帶寬超過信號所需的帶寬這一特點。頻分多路復用把整個傳輸頻帶被劃分為若干個頻率通道，每個用戶占用一個頻率通道，頻率通道之間留有防護頻帶，信號的帶寬不會相互重疊，然后在傳輸介質上進行傳輸。如：無線電廣播、電視。

FDM的所有用戶在同一時間占用不同的帶寬資源（這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。CH2CH1CH3原帶寬CH1CH2CH3移頻后帶寬MUXCH1CH2CH3帶寬復用f2023/7/20page54頻分多路復用

(續)2023/7/20page55頻分多路復用帶寬分配例fAFDM多路復用過程例FDM多適用于模擬信號傳輸

FDM

解多路復用過程例FDM中的移頻與疊加（頻譜）2023/7/20page59FDM多路復用與解復用全過程例2023/7/20page60FDM分層多路復用群超群主群巨群2023/7/20page612.時分多路復用（Time-DivisionMultiplexing,TDM）物理信道按時間分成若干時間片（時隙）輪換地分配給多路信號使用，每一路信號在自己的時間片內獨占信道傳輸，這就是時分多路復用。（當傳輸介質所能達到的數據傳輸速率超過各路信號的數據傳輸速率的總和）時分多路復用利用每個信號在時間上交叉，將物理信道按時間分成時間片，供多個信源輪流使用。可以在一個傳輸通路上傳輸多個數字信號。

TDM的所有用戶在不同的時間占用同樣的帶寬資源。

2023/7/20page62TDM多適用于數字信號傳輸使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，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。時分多路復用(續)2023/7/20page64統計(異步)TDM——STDMTDM的缺點：某用戶無數據發送，其他用戶也不能占用該通道，將會造成帶寬浪費。改進：使用統計時分多路復用（STDM），用戶不固定占用某個時隙，有空時隙就將數據放入。ABCD待發數據t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM帶寬浪費A1B1C2B2周期1周期2統計TDM可用帶寬2023/7/20page653.統計分時復用——STDM統計時分多路復用使用STDM幀傳送復用數據，每個幀的時隙數小于連接在集中器上的用戶數。用戶不固定占用某個時隙，按需動態分配時隙，有空時隙就將數據放入。某一個用戶所占用的時隙并不是周期性出現，因此統計分時復用也稱為異步分時復用。統計TDM各數據之前要附有該路地址，以便接收方能分出各路信號2023/7/20page66TDM

和

STDM

的比較ABCD待發數據t1t2t3A1B1C1D1C2D2A2B2周期1周期2同步TDM帶寬浪費A1B1C2B2周期1周期2可用帶寬統計TDM(數據之前附有該路地址)2023/7/20page674.波分多路復用（Wave-DivisionMultiplexing,WDM）波分復用就是光的頻分復用。目前一根單模光纖的傳輸速率可達到2.5Gb/s，采用色散補償技術解決光纖傳輸中的色散問題，則一根單模光纖的傳輸速率可達到10Gb/s。1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調制器光解調器2023/7/20page68

5.碼分復用CDM(codedivisionmultiplexing)

主要用于移動通信。

CDM是另一種共享信道的方法,即碼分多址。每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。原理:每一個比特時間劃分成m個短間隔——碼片，通常m為64或128。每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogo