計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò) 第2章 物理層

第2章物理層

基本內(nèi)容：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)物理層的基本概念，數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型、信道及其傳輸速率的計(jì)算，常用的傳輸媒體，信道復(fù)用技術(shù)，物理層的標(biāo)準(zhǔn)舉例。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)物理層的基本概念信道及其傳輸速率的計(jì)算信道復(fù)用技術(shù)

RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)重點(diǎn)掌握：2.1物理層的基本概念物理層考慮的是如何在傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是傳輸媒體或物理設(shè)備本身。物理層的主要任務(wù)是確定與傳輸媒體的接口的一些特性：（1）機(jī)械特性接口的形狀、尺寸、引線數(shù)目、排列順序等。（2）電氣特性接口電纜上各線的電壓范圍。（3）功能特性指明某條線上某一電平的電壓代表何種意義。（4）規(guī)程特性指明各種可能事件的出現(xiàn)順序。2.2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)知識2.2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念數(shù)據(jù)（data）:運(yùn)送信息的實(shí)體。信號（signal）：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。模擬的（信號或數(shù)據(jù)）（analog)：連續(xù)變化的。數(shù)字的（信號或數(shù)據(jù)）（digital)：取值僅允許為有限的幾個離散值。tttUUU000（a）模擬信號（b）數(shù)字信號1（c）數(shù)字信號22.2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型正文數(shù)字比特流模擬信號公用電話網(wǎng)模擬信號數(shù)字比特流正文PC機(jī)調(diào)制解調(diào)器調(diào)制解調(diào)器PC機(jī)源點(diǎn)輸入信息發(fā)送器輸入數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)送的信號接收的信號接收器終點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)輸出信息源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)（發(fā)送端）、傳輸系統(tǒng)（傳輸網(wǎng)絡(luò)）和目的系統(tǒng)（接收端）。調(diào)制與解調(diào)概念調(diào)制：將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程叫做調(diào)制。解調(diào)：將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的過程叫做解調(diào)。在公共電話網(wǎng)上，有些地區(qū)是數(shù)字網(wǎng)、有些地區(qū)是模擬網(wǎng)，也有的是數(shù)字、模擬共存的綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)。公用電話網(wǎng)2.2.3信道及其傳輸速率1、幾個概念信道（channel）信道和電路并不等同，信道一般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(fā)送信道和一條接收信道。信道按所傳輸?shù)男盘柨煞譃槟M信道和數(shù)字信道，信道上傳輸?shù)男盘栠€有基帶信號和寬帶信號之分。通信雙方的交互方式單向通信：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。也稱單工通信。雙向交替通信：一方發(fā)送，另一方接收，過一段時間后再反過來。但不能雙方同時發(fā)送，也不能同時接收。也稱半雙工通信。雙向同時通信：通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息，也稱全雙工通信。2、信道的最高碼元傳輸速率——奈奎斯特(Nyquist)公式理想低通信道：信道的最高碼元傳輸速率＝2W(Baud)理想帶通信道：信道的最高碼元傳輸速率＝W(Baud)信道的碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率、波形速率或符號速率。單位為：碼元/秒，稱為：波特（Baud）。對于模擬信號的傳輸，波特率是指調(diào)制解調(diào)器上輸出的調(diào)制信號每秒鐘調(diào)制載波狀態(tài)改變的次數(shù)。對于數(shù)字信號傳輸，波特率是指線路上每秒鐘傳送的波形個數(shù)。波特率和比特率的比較波特率是信道的碼元傳輸速率，單位為：碼元/秒。比特率是指信道上數(shù)字信號的傳輸速率。如果一個碼元攜帶一個比特的信息，則信息傳輸率（bit/s）和碼元傳輸率在數(shù)值上是相等的。如果一個碼元攜帶n個比特的信息，則信息傳輸率是碼元率的n倍。2、信道的極限信息傳輸速率——香農(nóng)(Shannon)公式（b/s）W為信道的帶寬（Hz）；S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。2.3物理層下面的傳輸媒體——計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中采用的傳輸媒體（也稱傳輸介質(zhì)）分為有線和無線兩大類。主要特性包括：2.3.1有線傳輸媒體——包括雙絞線、同軸電纜、光纜等。物理特性:對傳輸介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的描述。傳輸特性:傳輸數(shù)字信號還是模擬信號,以及調(diào)制技術(shù)、傳輸容量與傳輸?shù)念l率范圍。連通特性:允許點(diǎn)~點(diǎn)或多點(diǎn)連接。地理范圍:最大的傳輸距離。

抗干擾性:防止噪聲與電磁干擾對傳輸數(shù)據(jù)影響的能力。相對價格:器件、安裝與維護(hù)費(fèi)用。（1）雙絞線雙絞線物理特性：把兩根互相絕緣的銅導(dǎo)線并排放在一起,然后用規(guī)則的方法絞合起來就構(gòu)成了雙絞線。一對線可以作為一條通信線路,各個線對螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾最小。局域網(wǎng)中所使用的雙絞線有:屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。傳輸特性：可分為五類，最常用的雙絞線有3類和5類，均由4對雙絞線組成，3類雙絞線傳輸速率可達(dá)10Ｍbps，5類雙絞線傳輸速率可達(dá)100Ｍbps。它們之間的區(qū)別在于單位長度的絞合次數(shù)不同：3類的絞合長度為7.5cm~10cm，5類為0.6cm~0.85cm。雙絞線雙絞線連通性:雙絞線既可用于點(diǎn)一點(diǎn)連接,也可用于多點(diǎn)連接。地理范圍:雙絞線用做遠(yuǎn)程中繼線時,最大距離可達(dá)15公里;用于10Mbps局域網(wǎng)時,與集線器的距離最大為100m?？垢蓴_性:雙絞線的抗干擾性取決于一束線中相鄰線對的扭曲長度及適當(dāng)?shù)钠帘蝺r格:雙絞線的價格低于其他傳輸介質(zhì),并且安裝、維護(hù)方便。（2）同軸電纜物理特性：由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線（單股實(shí)心線或多股絞合線）、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層（也可以是箔狀）以及絕緣保護(hù)外層所組成。內(nèi)導(dǎo)體絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層絕緣保護(hù)外層同軸電纜傳輸特性：根據(jù)帶寬不同,可分為:基帶同軸電纜和寬帶同軸電纜?；鶐?50歐姆)同軸電纜一般僅用于數(shù)字信號的傳輸。寬帶(75歐姆)同軸電纜可以使用頻分多路復(fù)用方法,將一條寬帶同軸電纜的頻帶劃分成多條通信信道,使用各種調(diào)制方式,支持多路傳輸。寬帶同軸電纜也可以只用于一條通信信道的高速數(shù)字通信,此時稱之為單信道寬帶。連通性：同軸電纜既支持點(diǎn)一點(diǎn)連接,也支持多點(diǎn)連接。地理范圍:基帶同軸電纜使用的最大距離限制在幾公里范圍內(nèi),而寬帶同軸電纜最大距離可達(dá)幾十公里左右。抗干擾性:同軸電纜的結(jié)構(gòu)使得它的抗干擾能力較強(qiáng)。價格:同軸電纜的造價介于雙絞線與光纜之間,使用與維護(hù)方便。（3）光纜物理特性：光纖是一種直徑為8μm～100μm的柔軟、能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來制造光纖，其中使用超高純度石英玻璃纖維制作的光纖可以得到最低的傳輸損耗。在折射率較高的單根光纖外面,用折射率較低的包層包裹起來，就可以構(gòu)成一條光纖通道；多條光纖組成一束，就構(gòu)成一條光纜。四芯光纜光纜傳輸特性：光導(dǎo)纖維通過內(nèi)部的全反射來傳輸一束經(jīng)過編碼的光信號。光波通過光纖內(nèi)部全反射進(jìn)行光傳輸?shù)倪^程。由于光纖的折射系數(shù)高于外部包層的折射系數(shù)，因此可以形成光波在光纖與包層的界面上的全反射。在光纖發(fā)送端，主要采用兩種光源:發(fā)光二極管LED(Light-EmittingDiode)與注入型激光二極管ILD(InjectionlaserDiode)。光纖傳輸分為單模與多模兩類。折射角入射角包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）光纜連通性:光纖最普遍的連接方法是點(diǎn)一點(diǎn)方式，在某些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，也可以采用多點(diǎn)連接方式。地理范圍:光纖信號衰減極小,它可以在6km～8km公里的距離內(nèi),在不使用中繼器的情況下,實(shí)現(xiàn)高速率的數(shù)據(jù)傳輸?？垢蓴_性:光纖不受外界電磁干擾與噪聲的影響,能在長距離、高速率的傳輸中保持低誤碼率。

價格:目前,光纖價格高于同軸電纜與雙絞線?！米杂煽臻g作為傳輸介質(zhì)來進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。特點(diǎn):信號沿直線傳播適用:架設(shè)或鋪埋電纜或光纜較困難的地方,廣泛應(yīng)用于電話領(lǐng)域構(gòu)成的蜂窩式無線電話網(wǎng)。分類:紅外通信、激光通信和微波通信(微波通信又主要有兩種方式:地面微波接力通信和衛(wèi)星通信。2.3.2無線傳輸媒體（1）地面微波接力通信原理:長距離傳輸時每隔一段距離就需架中繼站,將前一信號放大向后傳。適用:微波接力通信可傳輸電話、電報(bào)、圖象、數(shù)據(jù)等信息。優(yōu)點(diǎn):頻帶寬、通信容量大、傳輸質(zhì)量高、可靠性較好、投資少、見效快、靈活等。缺點(diǎn):相鄰站間必須直視，不能有障礙物；受氣候干擾較大、保密性差、中繼站的使用與維護(hù)問題等。

（2）衛(wèi)星通信原理：用位于36000公里高空的人造同步衛(wèi)星做中繼器的一種微波接力通信。特點(diǎn)：通信距離遠(yuǎn)、費(fèi)用與距離遠(yuǎn)近無關(guān);具有較大的傳輸延遲,且傳輸延遲相對確定。優(yōu)點(diǎn)：頻帶很寬,通信容量大,信號受干擾??；通信比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)：保密性較差,造價較高。適用：廣播電視通信。（3）紅外線與毫米波通信特點(diǎn)：具有一定的方向性。優(yōu)點(diǎn)：價格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切聽或截取。缺點(diǎn)：不能穿透堅(jiān)硬的物體。適用：被廣泛應(yīng)用于短距離通信，紅外線成為室內(nèi)無線局域網(wǎng)網(wǎng)的主要選擇對象。2.4信道復(fù)用技術(shù)多路復(fù)用：在一個物理信道上傳輸多路信號（共享信道資源）。通過多路復(fù)用器將多路信號組合在一條物理信道上傳輸,到接收端再用多路分用器（也稱多路譯碼器）將各路信號分離并輸出,從而提高通信線路的利用率，降低通信成本。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中常用的信道復(fù)用技術(shù)有：頻分復(fù)用、時分復(fù)用、波分復(fù)用、碼分復(fù)用等。2.4.1頻分復(fù)用FDM（FrequencyDivisionMultiplexing）信道帶寬分割：在物理信道的可用帶寬超過單個原始信號所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個與傳輸單個信號帶寬相同(或略寬)的子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是頻分多路復(fù)用。頻譜搬移：多路原始信號在頻分復(fù)用前，先要通過頻譜搬移技術(shù)將各路信號的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號的帶寬不相互重疊，然后用不同的頻率調(diào)制每一個信號，每個信號要一個樣以它的載波頻率為中心的一定帶寬的通道。為了防止互相干擾，使用保護(hù)帶來隔離每一個通道。頻分多路復(fù)用主要應(yīng)用于模擬信號。2.4.2時分復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing）若媒體能達(dá)到的位傳輸速率超過傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時分多路復(fù)用TDM技術(shù)，即將一條物理信道按時間分成若干個時間片輪流地分配給多個信號使用。每一時間片由復(fù)用的一個信號占用，這樣，利用每個信號在時間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個數(shù)字信號。時分多路復(fù)用不僅限于傳輸數(shù)字信號，也可同時交叉?zhèn)鬏斈M信號。（1）同步時分：時分方案中的時間片是分配好的，而且是固定不變的。（2）異步時分：允許動態(tài)地分配傳輸媒體的時間片。2.4.3波分復(fù)用WDM（WavelengthDivisionMultiplexing）——在光纖信道上使用的頻分復(fù)用的一個變種。用來實(shí)現(xiàn)使用一根光纖同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號。目前已經(jīng)做到一根光纖上復(fù)用80路甚至更多路數(shù)的光載波信號。2.4.4碼分復(fù)用CDM（CodeDivisionMultiplexing）——這種技術(shù)更常用的名詞是碼分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess），是一種用于移動通信系統(tǒng)的技術(shù)；共享時間和頻率資源。在CDMA中，每一個比特時間再劃分為m個短的間隔，稱為碼片，通常m的取值為64或128。使用CDMA的每一個站被指派一個mbit碼片序列，一個站如果要發(fā)送比特1，則發(fā)送它自己的mbit碼片序列；如果要發(fā)送比特0，該發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。給每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，而且必須互相正交（碼片向量規(guī)格化內(nèi)積為零）。2.5物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例2.5.1DTE和DCE的概念DTE——DataTerminalEquipment數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE是具有一定的數(shù)據(jù)處理能力以及發(fā)送和接收數(shù)據(jù)能力的設(shè)備。比如：一臺計(jì)算機(jī)、一個終端、各種I/O設(shè)備。DCE——DataCircuit-TerminatingEquipment數(shù)據(jù)電路端接設(shè)備DCE的作用就是在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼的功能，并負(fù)責(zé)建立、保持和釋放數(shù)據(jù)鏈路的連接。比如：連接計(jì)算機(jī)和模擬電話線路之間的調(diào)制解調(diào)器。DTE、DCE和通信線路之間的連接如圖2-27所示。圖2-27DTE通過DCE與通信傳輸線路相連DTEDTEDCEDCE用戶環(huán)境用戶設(shè)施用戶設(shè)施通信設(shè)施通信環(huán)境信號線與控制線信號線與控制線2.5.2EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn)對DTE和DCE的接口制訂的標(biāo)準(zhǔn)就是所謂的物理層協(xié)議。EIAElectronicIndustriesAssociation美國電子工業(yè)協(xié)會。EIA-232的主要特性：機(jī)械特性：使用ISO2110關(guān)于插頭座的標(biāo)準(zhǔn)，有25根引腳，分2排：13根和12根。插頭在DTE上，插座在DCE上。電氣特性：與CCITT的V.28建議書一致。采用負(fù)邏輯，即0表示+3V或更高的電壓；1表示-3V或更負(fù)的電壓。電纜長度在15m以內(nèi)，傳輸速率不超過20kb/s，長度越短，速度越快。規(guī)程特性：與CCITT的V.24建議書一致。