計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第5版）第2章物理層1/67第2章物理層2.1物理層基本概念2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)2.3物理層下面?zhèn)鬏斆襟w2.4信道復(fù)用技術(shù)2.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)2.6寬帶接入技術(shù)

2/672.1物理層基本概念

物理層完成比特流透明傳輸。機(jī)械特征指明接口所用接線器形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等。電氣特征指明在接口電纜各條線上出現(xiàn)電壓范圍。功效特征指明某條線上出現(xiàn)某一電平電壓表示何種意義。過(guò)程特征指明對(duì)于不一樣功效各種可能事件出現(xiàn)次序。3/671

DCD

載波檢測(cè)

2

RXD

接收數(shù)據(jù)

3

TXD

發(fā)送數(shù)據(jù)

4

DTR

數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備好

5

SG

信號(hào)地線

6

DSR

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好

7

RTS

請(qǐng)求發(fā)送

8

CTS

去除發(fā)送

9

RI

振鈴指示4/672.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識(shí)

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)接收信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)公用電話網(wǎng)調(diào)制解調(diào)器數(shù)字比特流數(shù)字比特流模擬信號(hào)模擬信號(hào)輸入漢字顯示漢字?jǐn)?shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目標(biāo)系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)5/67幾個(gè)術(shù)語(yǔ)數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)輸消息實(shí)體。信號(hào)(signal)——數(shù)據(jù)電氣或電磁表現(xiàn)。“模擬”(analogous)——代表消息參數(shù)取值是連續(xù)。“數(shù)字”(digital)——代表消息參數(shù)取值是離散。碼元(code)——在使用時(shí)間域（或簡(jiǎn)稱為時(shí)域）波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不一樣離散數(shù)值基本波形。6/672.2.2相關(guān)信號(hào)幾個(gè)基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個(gè)方向通信而沒(méi)有反方向交互。雙向交替通信（半雙工通信）——通信雙方都能夠發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。雙向同時(shí)通信（全雙工通信）——通信雙方能夠同時(shí)發(fā)送和接收信息。7/67幾個(gè)最基本調(diào)制方法基帶信號(hào)往往包含有較多低頻成份，甚至有直流成份，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了處理這一問(wèn)題，就必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。最基本二元制調(diào)制方法有以下幾個(gè)：調(diào)幅(AM)：載波振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而改變。調(diào)頻(FM)：載波頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而改變。調(diào)相(PM)：載波初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而改變。

8/67對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)幾個(gè)調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相9/67正交振幅調(diào)制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r

(r,)可供選擇相位有12種，而對(duì)于每一個(gè)相位有1或2種振幅可供選擇。因?yàn)?bit編碼共有16種不一樣組合，所以這16個(gè)點(diǎn)中每個(gè)點(diǎn)可對(duì)應(yīng)于一個(gè)4bit編碼。若每一個(gè)碼元可表示比特?cái)?shù)越多，則在接收端進(jìn)行解調(diào)時(shí)要正確識(shí)別每一個(gè)狀態(tài)就越困難。舉例10/672.2.3信道極限容量任何實(shí)際信道都不是理想，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來(lái)各種干擾。

碼元傳輸速率越高，或信號(hào)傳輸距離越遠(yuǎn)，在信道輸出端波形失真就越嚴(yán)重。11/67數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)實(shí)際信道有失真，但可識(shí)別失真大，無(wú)法識(shí)別實(shí)際信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發(fā)送信號(hào)波形接收信號(hào)波形發(fā)送信號(hào)波形實(shí)際信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)波形12/67信道能夠經(jīng)過(guò)頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定理想條件下，為了防止碼間串?dāng)_，碼元傳輸速率上限值。在任何信道中，碼元傳輸速率是有上限，不然就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_問(wèn)題，使接收端對(duì)碼元判決（即識(shí)別）成為不可能。假如信道頻帶越寬，也就是能夠經(jīng)過(guò)信號(hào)高頻分量越多，那么就能夠用更高速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。13/67(2)信噪比香農(nóng)(Shannon)用信息論理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾信道極限、無(wú)差錯(cuò)信息傳輸速率。信道極限信息傳輸速率C可表示為

C=Wlog2(1+S/N)b/sW為信道帶寬（以Hz為單位）；S為信道內(nèi)所傳信號(hào)平均功率；N為信道內(nèi)部高斯噪聲功率。

14/67香農(nóng)公式表明信道帶寬或信道中信噪比越大，則信息極限傳輸速率就越高。只要信息傳輸速率低于信道極限信息傳輸速率，就一定能夠找到某種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)差錯(cuò)傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒(méi)有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這么），則信道極限信息傳輸速率

C

也就沒(méi)有上限。實(shí)際信道上能夠到達(dá)信息傳輸速率要比香農(nóng)極限傳輸速率低不少。15/672.3物理層下面?zhèn)鬏斆襟w無(wú)線電微波紅外線可見(jiàn)光紫外線X射線

射線雙絞線同軸電纜衛(wèi)星地面微波

調(diào)幅無(wú)線電

調(diào)頻無(wú)線電

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

移動(dòng)無(wú)線電電磁波頻譜16/672.3.1導(dǎo)向傳輸媒體雙絞線屏蔽雙絞線STP(ShieldedTwistedPair)無(wú)屏蔽雙絞線UTP(UnshieldedTwistedPair)

同軸電纜50

同軸電纜75

同軸電纜光纜17/67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(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣保護(hù)套層內(nèi)導(dǎo)體無(wú)屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜18/67

銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護(hù)套寬帶同軸電纜

一條電纜同時(shí)傳輸不一樣頻率多路模擬信號(hào)，75

，用于模擬傳輸，300—450MHz，100km，需要放大器預(yù)防信號(hào)衰減基帶同軸電纜

一條電纜只用于一個(gè)信道，50

，用于數(shù)字傳輸19/67

細(xì)同軸

--50

，D=1.02cm，10Mbps--185m、4中繼、5段（925m）

--優(yōu)缺點(diǎn)：價(jià)格低、抗干擾能力強(qiáng) 安裝方便（T型連接器、BNC接頭、

Terminator）可靠性差、距離短

粗同軸

--50

，D=2.54cm，10Mbps--500m、4中繼、5段（2500m）

--優(yōu)缺點(diǎn)：可靠性好、距離中等、抗干擾能力強(qiáng) 安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、

Terminator）價(jià)格稍高20/6721/6722/67屏蔽雙絞線(STP)非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以降低干擾和串音，應(yīng)用較少雙絞線外無(wú)任何屏蔽層，應(yīng)用廣泛慣用雙絞線：3類(lèi)

和5類(lèi)兩種23/67CAT1用于電話CAT24對(duì)4MbpsCAT34對(duì)7.5~10cm10MbpsCAT44對(duì)20MbpsCAT54對(duì)0.6~0.85cm100MbpsCAT5E4對(duì)1000MbpsCAT64對(duì)1000Mbps愈加好CAT7屏蔽雙絞線24/67雙絞線連接標(biāo)準(zhǔn)色彩標(biāo)識(shí)和連接方法：交叉線：交換機(jī)-交換機(jī)、PC-PC、HUB-HUB直連線：PC/路由器-交換機(jī)/HUB、HUB-HUB(級(jí)連端口)線對(duì)色彩碼1白藍(lán)，藍(lán)2白橙，橙3白綠，綠4白棕，棕12345678123456781234567812345678交叉線EIA-568B直連線EIA-568A25/67光線在光纖中折射折射角入射角

包層（低折射率媒體）

包層（低折射率媒體）

纖芯（高折射率媒體）包層纖芯26/67光纖工作原理高折射率(纖芯)低折射率(包層)光線在纖芯中傳輸方式是不停地全反射27/67輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖28/67高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu)芯封套外套加強(qiáng)芯光纖外鞘加強(qiáng)芯光纖束29/67SC接頭30/67ST接頭31/672.3.2非導(dǎo)向傳輸媒體無(wú)線傳輸所使用頻段很廣。短波通信主要是靠電離層反射，但短波信道通信質(zhì)量較差。微波在空間主要是直線傳輸。地面微波接力通信衛(wèi)星通信

32/67地面微波經(jīng)過(guò)地面站之間接力傳送接力站之間距離：50-100km速率：每信道45Mb/s地球地面站之間直視線路微波傳送塔33/67地球同時(shí)衛(wèi)星與地面站相對(duì)固定位置使用3顆衛(wèi)星即可覆蓋全球傳輸延遲時(shí)間長(zhǎng)（≈270ms）廣播式傳輸應(yīng)用領(lǐng)域：電視傳輸長(zhǎng)途電話專用網(wǎng)絡(luò)廣域網(wǎng)35,784公里地球34/67慣用傳輸介質(zhì)比較傳輸介質(zhì)傳輸方式速率/工作頻帶傳輸距離性能價(jià)格應(yīng)用雙絞線寬帶基帶≤1Gb/s模擬:10km數(shù)字:100m很好低模擬/數(shù)字信號(hào)傳輸50Ω同軸電纜基帶10Mb/s<3km很好較低基帶數(shù)字信號(hào)75Ω同軸電纜寬帶≤450MHz100km很好較低模擬電視、數(shù)據(jù)及音頻光纖基帶40Gb/s20km以上很好較高遠(yuǎn)距離高速數(shù)據(jù)傳輸微波寬帶4-6GHz幾百km好中等遠(yuǎn)程通信衛(wèi)星寬帶1-10GHz18000km很好高遠(yuǎn)程通信35/67共享信道2.4信道復(fù)用技術(shù)

2.4.1頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a)不使用復(fù)用技術(shù)(b)使用復(fù)用技術(shù)36/67頻分復(fù)用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在分配到一定頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。頻分復(fù)用全部用戶在一樣時(shí)間占用不一樣帶寬資源（請(qǐng)注意，這里“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)發(fā)送速率）。頻率時(shí)間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率537/67時(shí)分復(fù)用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)時(shí)隙。每一個(gè)用戶所占用時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀長(zhǎng)度）。TDM信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。時(shí)分復(fù)用全部用戶是在不一樣時(shí)間占用一樣頻帶寬度。38/67時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀39/67時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀40/67時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀41/67時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀42/67時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成

線路資源浪費(fèi)ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)數(shù)據(jù)突發(fā)性質(zhì)，用戶對(duì)分配到子信道利用率普通是不高。43/67統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個(gè)STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用44/671550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分復(fù)用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復(fù)用就是光頻分復(fù)用。8

2.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器45/672.4.3碼分復(fù)用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

慣用名詞是碼分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過(guò)特殊挑選不一樣碼型，所以彼此不會(huì)造成干擾。每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短間隔，稱為碼片(chip)。

46/672.5數(shù)字傳輸系統(tǒng)

1.脈碼調(diào)制PCM體制

脈碼調(diào)制PCM體制最初是為了在電話局之間中繼線上傳送多路電話。因?yàn)闅v史上原因，PCM有兩個(gè)互不兼容國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即北美24路PCM（簡(jiǎn)稱為T(mén)1）和歐洲30路PCM（簡(jiǎn)稱為E1）。我國(guó)采取是歐洲E1標(biāo)準(zhǔn)。E1速率是2.048Mb/s，而T1速率是1.544Mb/s。當(dāng)需要有更高數(shù)據(jù)率時(shí)，可采取復(fù)用方法。47/672.同時(shí)光纖網(wǎng)SONET和

同時(shí)數(shù)字系列SDH

舊數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)。速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。假如不對(duì)高次群數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)際范圍高速數(shù)據(jù)傳輸就極難實(shí)現(xiàn)。

不是同時(shí)傳輸。在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)，各國(guó)數(shù)字網(wǎng)主要是采取準(zhǔn)同時(shí)方式。

48/67同時(shí)光纖網(wǎng)SONET同時(shí)光纖網(wǎng)

SONET(SynchronousOpticalNetwork)各級(jí)時(shí)鐘都來(lái)自一個(gè)非常準(zhǔn)確主時(shí)鐘。第1級(jí)同時(shí)傳送信號(hào)

STS-1(SynchronousTransportSignal)傳輸速率是51.84Mb/s。光信號(hào)則稱為第1級(jí)光載波

OC-1，OC表示OpticalCarrier。49/67

同時(shí)數(shù)字系列SDH

ITU-T以美國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)SONET為基礎(chǔ)，制訂出國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)數(shù)字系列

SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。SDH基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級(jí)同時(shí)傳遞模塊

(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相當(dāng)于SONET體系中OC-3速率。50/67線路速率(Mb/s)SONET符號(hào)ITU-T符號(hào)表示線路速率慣用近似值51.840OC-1/STS-1

155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120

OC-768/STS-768

STM-256

40Gb/s

SONET

OC級(jí)/STS級(jí)與SDH

STM級(jí)對(duì)應(yīng)關(guān)系51/67SONET體系結(jié)構(gòu)光子層路徑層線路層段層線路(line)光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復(fù)用器或分用器復(fù)用器或分用器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器段段段路徑(path)(section)(section)(section)52/672.6寬帶接入技術(shù)

2.6.1xDSL技術(shù)DSL就是數(shù)字用戶線(DigitalSubscriberLine)縮寫(xiě)。而DSL前綴x則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)不一樣寬帶方案。xDSL技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。即使標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)頻帶被限制在300~3400kHz范圍內(nèi)，但用戶線本身實(shí)際可經(jīng)過(guò)信號(hào)頻率依然超出1MHz。xDSL技術(shù)就把0~4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來(lái)沒(méi)有被利用高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。53/67xDSL幾個(gè)類(lèi)型DSL：ISDN用戶線。ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非對(duì)稱數(shù)字用戶線HDSL(HighspeedDSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL(Single-lineDSL)：1對(duì)線數(shù)字用戶線VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速數(shù)字用戶線RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自適應(yīng)DSL，是ADSL一個(gè)子集，可自動(dòng)調(diào)整線路速率）。54/67ADSL特點(diǎn)上行和下行帶寬做成不對(duì)稱。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線）兩端各安裝一個(gè)ADSL調(diào)制解調(diào)器。我國(guó)當(dāng)前采取方案是離散多音調(diào)DMT(DiscreteMulti-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”意思。55/67DMT技術(shù)DMT調(diào)制技術(shù)采取頻分復(fù)用方法，把40kHz以上一直到1.1MHz高端頻譜劃分為許多子信道，其中25個(gè)子信道用于上行信道，而249個(gè)子信道用于下行信道。每個(gè)子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴(yán)格講是4.3125kHz），并使用不一樣載波（即不一樣音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對(duì)用戶線上使用許多小調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。56/67DMT技術(shù)頻譜分布…頻譜頻率上行信道傳統(tǒng)電話04下行信道…(kHz)~40~138~110057/67ADSL組成ATU-CATU-CATU-RATU-C用戶線

電話分離器

區(qū)域?qū)拵ЬW(wǎng)至ISP居民家庭基于ADSL接入網(wǎng)端局或遠(yuǎn)端站DSLAM至當(dāng)?shù)仉娫捑諴SPS數(shù)字用戶線接入復(fù)用器DSLAM(DSLAccessMultiplexer)接入端接單元ATU(AccessTerminationUnit)ATU-C（C代表端局CentralOffice）ATU-R（R代表遠(yuǎn)端Remote）電話分離器PS(POTSSplitter)

58/67ADSL數(shù)據(jù)率通常下行數(shù)據(jù)率在32kb/s到6.4Mb/s之間，而上行數(shù)據(jù)率在32kb/s到640kb/s之間。59/67ADSL極限傳輸距離ADSL極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線線徑都有很大關(guān)系。比如，0.5毫米線徑用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時(shí)可傳送5.5公里，但當(dāng)傳輸速率提升到6.1Mb/s時(shí)，傳輸距離就縮短為3.7公里。假如把用戶線線徑減小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s傳輸速率下就只能傳送2.7公里60/672.6.2光纖同軸混合網(wǎng)

HFC(HybridFiberCoax)HFC網(wǎng)是在當(dāng)前覆蓋面很廣有線電視網(wǎng)CATV基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)一個(gè)居民寬帶