李軍懷等新編電子工業(yè)出版社+計(jì)算網(wǎng)絡(luò)實(shí)用教材課件networkch2

第二章物理層

本章主要內(nèi)容物理層是網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的最低層，是唯一直接傳輸數(shù)據(jù)的一層。但物理層并不是指連接計(jì)算機(jī)的具體的物理設(shè)備或具體的傳輸介質(zhì)，它主要考慮的是如何在連接開(kāi)放系統(tǒng)的傳輸介質(zhì)上傳輸各種數(shù)據(jù)的比特流。物理層的另外一個(gè)作用是要盡可能屏蔽掉物理設(shè)備和傳輸介質(zhì)的差異，為數(shù)據(jù)鏈路層提供一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。目錄2.1基本概念2.2數(shù)據(jù)通信的基本知識(shí)2.3物理層下的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)2.4數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.5信道復(fù)用技術(shù)2.6物理層接口標(biāo)準(zhǔn)2.1基本概念物理層位于OSI參考模型的最低層，它直接面向?qū)嶋H承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈锢斫橘|(zhì)（即信道）。ISO/OSI規(guī)定物理層的功能為“在數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)體之間提供激活、維持和釋放用于傳輸比特的物理連接方法，這些方法有機(jī)械的、電氣的、功能的和規(guī)程的特性”。物理層提供的這些功能目的是激活、維護(hù)和釋放數(shù)據(jù)鏈路實(shí)體之間進(jìn)行比特傳輸?shù)奈锢磉B接。數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)體所謂的數(shù)據(jù)鏈路層實(shí)體可以理解為DTE（DataTerminalEquipment）或DCE（DataCircuitEquipment或DataCommunicationsEquipment）。這里的DTE指的是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是對(duì)屬于用戶(hù)所有的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或工作站的統(tǒng)稱(chēng)，它們是通信的信源或信宿，如計(jì)算機(jī)、終端等；DCE指的是數(shù)據(jù)電路設(shè)備或數(shù)據(jù)通信設(shè)備，是對(duì)為用戶(hù)提供接入點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)稱(chēng)，如自動(dòng)呼叫應(yīng)答設(shè)備、調(diào)制解調(diào)器等。DTE與DCE接口圖2-1DTE與DCE接口示意圖物理層功能的實(shí)現(xiàn)

⑴介質(zhì)和互連設(shè)備傳輸介質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)中連接收發(fā)雙方的物理通路，也是通信中實(shí)際傳送信息的載體。主要包括雙絞線(xiàn)、同軸電纜、光纜、無(wú)線(xiàn)傳輸介質(zhì)等?；ミB設(shè)備是指DTE和DCE間的互連設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)與物理介質(zhì)之間的連接設(shè)備或接插件或接頭/座等，如T型頭、RJ-45頭、接收器、發(fā)送器、中繼器、集線(xiàn)器等

物理層功能的實(shí)現(xiàn)⑵物理層協(xié)議物理層協(xié)議實(shí)際上是DTE和DCE或其他通信設(shè)備之間的一組約定，主要解決網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)與物理信道如何連接的問(wèn)題。物理層協(xié)議規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)接口的機(jī)械連接特性、電氣信號(hào)特性、信號(hào)功能特性以及交換電路的規(guī)程特性。目的是為了便于不同的制造廠(chǎng)家能夠根據(jù)公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)各自獨(dú)立地制造設(shè)備，使各個(gè)廠(chǎng)家的產(chǎn)品都能夠相互兼容。

2.2數(shù)據(jù)通信的基本知識(shí)2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型2.2.2通信方式2.2.3數(shù)據(jù)傳輸速率與信道容量2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的任務(wù)是將數(shù)據(jù)從一個(gè)結(jié)點(diǎn)迅速、可靠地傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)結(jié)點(diǎn)。一個(gè)完整的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)如圖2-2所示，一般可以劃分為三大部分，即源系統(tǒng)（或發(fā)送方）、傳輸系統(tǒng)和目的系統(tǒng)（或接收方）。圖2-2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型術(shù)語(yǔ)

①數(shù)據(jù)（data）：是傳遞（攜帶）信息的實(shí)體，信息（information）則是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。②信號(hào)（signal）：是數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號(hào)的形式傳播。無(wú)論信號(hào)或數(shù)據(jù)，都既可以是模擬的也可以是數(shù)字的。所謂“模擬的”就是連續(xù)變化的，而“數(shù)字的”表示取值僅允許為有限的幾個(gè)離散數(shù)值。③模擬信號(hào)：是連續(xù)變化的電磁波，其取值可以有無(wú)限多個(gè)，是某種物理量的測(cè)量結(jié)果。這種信號(hào)可以不同頻率在各種通信介質(zhì)上傳輸。術(shù)語(yǔ)④數(shù)字信號(hào)：是一系列離散的電脈沖，可用恒定的正電壓或負(fù)電壓直接表示二進(jìn)制的“1”或“0”。這種電脈沖可以按照不同的位速率在通信介質(zhì)上傳輸。⑤模擬數(shù)據(jù)：是在某個(gè)區(qū)間內(nèi)連續(xù)變化的值，如溫度和壓力都是模擬數(shù)據(jù)。⑥數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)：是離散的值。它用一系列符號(hào)表示信息，而每個(gè)符號(hào)只能取有限的特定值，如文本和整數(shù)。圖2-3模擬數(shù)據(jù)、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)與模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)間的關(guān)系2.2.2通信方式在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的各部件之間、計(jì)算機(jī)與各種外部設(shè)備之間，以及計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，都是以通信的方式傳遞交換數(shù)據(jù)信息的。通信有兩種基本方式，即串行方式和并行方式。在通常情況下，并行方式用于近距離通信，串行方式用于較遠(yuǎn)距離的通信。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，串行通信方式更具有普遍意義。1．并行通信方式在并行數(shù)據(jù)傳輸中有多個(gè)數(shù)據(jù)位，如8個(gè)數(shù)據(jù)位（見(jiàn)圖2-4），同時(shí)在兩個(gè)設(shè)備之間傳輸。發(fā)送設(shè)備將8個(gè)數(shù)據(jù)位通過(guò)8條數(shù)據(jù)線(xiàn)傳送給接收設(shè)備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗(yàn)位。接收設(shè)備可同時(shí)接收到這些數(shù)據(jù)，不需要做任何變換就可以直接使用。在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，數(shù)據(jù)通信通常以并行方式進(jìn)行。并行的數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)也稱(chēng)為總線(xiàn)。并行數(shù)據(jù)傳輸圖2-4并行數(shù)據(jù)傳輸2．串行通信方式在并行傳輸時(shí)，需要一根至少有8條數(shù)據(jù)線(xiàn)（因?yàn)橐粋€(gè)字節(jié)是8位）的電纜將兩個(gè)通信設(shè)備連接起來(lái)。當(dāng)進(jìn)行近距離傳輸時(shí)，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，處理簡(jiǎn)單；但在進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，這種方法的線(xiàn)路費(fèi)用就難以容忍了。在這種情況下，使用現(xiàn)成的電話(huà)線(xiàn)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸就經(jīng)濟(jì)多了。圖2-5串行數(shù)據(jù)傳輸3．串行通信的方向性結(jié)構(gòu)串行數(shù)據(jù)通信的方向性結(jié)構(gòu)有3種，即單工、半雙工和全雙工。①單向通信，又稱(chēng)為單工通信，即只有在一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。例如，無(wú)線(xiàn)電廣播、有線(xiàn)廣播和電視廣播。②雙向交替通信，又稱(chēng)為半雙工通信，即通信雙方都可以發(fā)送信息，但在某一時(shí)刻，只允許數(shù)據(jù)在一個(gè)方向上傳輸，因而半雙工通信實(shí)際上是一種可切換方向的單工通信。③雙向同時(shí)通信，又稱(chēng)為全雙工通信，即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。因此全雙工通信是兩個(gè)單工通信方式的結(jié)合，它要求發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備都有獨(dú)立的接收和發(fā)送能力。2.2.3數(shù)據(jù)傳輸速率與信道容量

數(shù)據(jù)通信的任務(wù)是傳輸數(shù)據(jù)信息，希望能夠?qū)崿F(xiàn)傳輸速率快、出錯(cuò)率低、信息量大、可靠性高，并且既經(jīng)濟(jì)又便于使用維護(hù)。這些要求可以用下列技術(shù)指標(biāo)來(lái)描述。1．傳輸速率2．信道容量3．誤碼率

1．傳輸速率數(shù)據(jù)傳輸速率是指每秒能傳輸?shù)亩M(jìn)制信息位數(shù)，單位為“位/秒”，記做bps（bitspersecond）或b/s。數(shù)據(jù)傳輸速率表示為

式中，T為一個(gè)數(shù)字脈沖信號(hào)的寬度或重復(fù)周期，單位為s。碼元速率當(dāng)一個(gè)碼元僅取兩種離散值時(shí)，，表示數(shù)據(jù)傳輸速率等于碼元脈沖的重復(fù)頻率。由此可以引出另一個(gè)技術(shù)指標(biāo)“信號(hào)傳輸速率”，也稱(chēng)為碼元速率、調(diào)制速率或波特率，單位為波特（baud）。信號(hào)傳輸速率表示單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)，也就是信號(hào)經(jīng)調(diào)制后的傳輸速率。若信號(hào)碼元的寬度為T(mén)，則碼元速率定義為調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率的關(guān)系在有些調(diào)幅和調(diào)頻方式的調(diào)制解調(diào)器中，一個(gè)碼元對(duì)應(yīng)于一位二進(jìn)制信息，即一個(gè)碼元有兩種有效離散值，此時(shí)調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率相等。但在調(diào)相的四相信號(hào)方式中，一個(gè)碼元對(duì)應(yīng)于兩位二進(jìn)制信息，即一個(gè)碼元有四種有效離散值，此時(shí)調(diào)制速率只是數(shù)據(jù)傳輸速率的一半。調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系為2．信道容量

信道容量表示一個(gè)信道傳輸數(shù)據(jù)的能力，即單位時(shí)間內(nèi)可能傳送的最大比特?cái)?shù)，單位為bps。信道容量與數(shù)據(jù)傳輸速率的區(qū)別在于，前者表示信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率，是信道傳輸數(shù)據(jù)能力的極限，而后者則表示實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸速率。信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率是受帶寬限制的。因?yàn)槿魏螌?shí)際信道都不是理想的，也就是說(shuō)，信道的帶寬是有限的（即能通過(guò)的信號(hào)的頻帶寬度是有限的），而且在信道上還存在各種干擾，所以在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)帶來(lái)失真。（1）奈奎斯特公式對(duì)于無(wú)熱噪聲的信道，奈奎斯特（Nyquist）給出了碼元速率的極限值與信道帶寬的關(guān)系對(duì)于無(wú)熱噪聲的信道，奈奎斯特（Nyquist）給出了碼元速率的極限值與信道帶寬的關(guān)系式中，W是信道的帶寬，也稱(chēng)為頻率范圍，即信道能傳輸?shù)纳?、下限頻率的差值，單位為Hz。由此可推出表示信道數(shù)據(jù)傳輸能力的奈奎斯特公式為此處，M為攜帶數(shù)據(jù)的碼元可能取的離散值的個(gè)數(shù)，C為該信道最大的數(shù)據(jù)傳輸速率。（2）香農(nóng)公式實(shí)際的信道總要受到各種噪聲的干擾，香農(nóng)（Shannon）進(jìn)一步研究了受隨機(jī)噪聲干擾的信道情況，給出了計(jì)算信道容量的香農(nóng)公式式中，S為信號(hào)功率，N為噪聲功率，S/N為信噪比。由于實(shí)際使用的信道的信噪比都要足夠大，故常表示成10lg(1+S/N)，并以分貝（dB）為單位來(lái)計(jì)量，在使用時(shí)要特別注意。

3．誤碼率

誤碼率是衡量數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)在正常工作情況下傳輸可靠性的指標(biāo)，它定義為二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳輸時(shí)出錯(cuò)的概率。設(shè)傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)總數(shù)為N位，其中出錯(cuò)的位數(shù)為Ne，則誤碼率表示為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，一般要求誤碼率低于106，即平均每傳輸106位數(shù)據(jù)僅允許錯(cuò)1位。若誤碼率達(dá)不到這個(gè)指標(biāo)，可以通過(guò)差錯(cuò)控制方法進(jìn)行檢錯(cuò)和糾錯(cuò)。2.3物理層下的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)通常，對(duì)于一種傳輸介質(zhì)性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括以下幾點(diǎn)：①物理特性——對(duì)傳輸介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的描述；②傳輸特性——傳輸介質(zhì)允許傳送數(shù)字或模擬信號(hào)，以及頻率范圍；③連通特性——允許點(diǎn)到點(diǎn)或多點(diǎn)連接；④地理范圍——傳輸介質(zhì)的最大傳輸距離；⑤抗干擾性——傳輸介質(zhì)防止噪聲與電磁干擾對(duì)傳輸數(shù)據(jù)影響的能力；⑥相對(duì)價(jià)格——器件、安裝與維護(hù)的費(fèi)用。傳輸介質(zhì)分類(lèi)根據(jù)傳輸介質(zhì)的形態(tài)可以把傳輸介質(zhì)分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)（wireless）兩大類(lèi)。有線(xiàn)傳輸介質(zhì)通過(guò)雙絞線(xiàn)或電纜等為電信號(hào)提供導(dǎo)體，是一種堅(jiān)固、成熟的方式，在一個(gè)典型局域網(wǎng)中它是第一選擇。無(wú)線(xiàn)傳輸介質(zhì)中沒(méi)有導(dǎo)體存在，使用比較靈活、方便，在對(duì)象運(yùn)動(dòng)和一些不能敷設(shè)電纜的環(huán)境中有著重要的應(yīng)用地位。2.3.1有線(xiàn)傳輸介質(zhì)有線(xiàn)傳輸介質(zhì)技術(shù)很成熟，成本由低到高，各種檔次都有，并且性能穩(wěn)定，所以它是目前局域網(wǎng)中使用最多的介質(zhì)。有線(xiàn)傳輸介質(zhì)可以分為：雙絞線(xiàn)（twistedpaircable）同軸電纜（coaxialcable）光纜（opticalfibercable）1．雙絞線(xiàn)雙絞線(xiàn)是將兩根相互絕緣的導(dǎo)體按一定規(guī)格相互纏繞而成的，在實(shí)際使用中通常是將這樣的兩對(duì)或四對(duì)線(xiàn)放在一起，每對(duì)線(xiàn)使用不同顏色以便于區(qū)分，并在外面包裹上塑料或膠皮。如果兩根導(dǎo)體互相平行地靠在一起，就相當(dāng)于一個(gè)天線(xiàn)的作用，信號(hào)會(huì)從一根導(dǎo)體進(jìn)入另一根導(dǎo)體中，這稱(chēng)為串?dāng)_（crosstalk）。

雙絞線(xiàn)雙絞線(xiàn)可分為無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)（UnshieldedTwistedPairCable，UTP）和屏蔽雙絞線(xiàn)（ShieldedTwistedPairCable，STP）兩類(lèi)。圖2-6雙絞線(xiàn)示意圖圖2-7無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)示意圖圖2-8屏蔽雙絞線(xiàn)示意圖雙絞線(xiàn)的主要特性

①物理特性：雙絞線(xiàn)由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的2根、4根或8根絕緣導(dǎo)線(xiàn)組成。一對(duì)線(xiàn)可以作為一條通信線(xiàn)路，各個(gè)線(xiàn)對(duì)進(jìn)行螺旋排列的目的是為了使各線(xiàn)對(duì)之間的電磁干擾達(dá)到最小。②傳輸特性：在局域網(wǎng)中常用的雙絞線(xiàn)根據(jù)傳輸特性可以分為5類(lèi)。在典型的Internet中，常用第3類(lèi)、第4類(lèi)與第5類(lèi)無(wú)屏蔽雙絞線(xiàn)，通常簡(jiǎn)稱(chēng)為3類(lèi)線(xiàn)、4類(lèi)線(xiàn)和5類(lèi)線(xiàn)。其中，3類(lèi)線(xiàn)帶寬為16MHz，適用于語(yǔ)音及10Mbps以下的數(shù)據(jù)傳輸；5類(lèi)線(xiàn)帶寬為l00MHz，適用于語(yǔ)音及100Mbps的高速數(shù)據(jù)傳輸，甚至可以支持155Mbps的ATM數(shù)據(jù)傳輸。雙絞線(xiàn)的主要特性③連通性：雙絞線(xiàn)既可用于點(diǎn)到點(diǎn)的連接，也可用于多點(diǎn)連接。④地理范圍：雙絞線(xiàn)用于遠(yuǎn)程中繼線(xiàn)時(shí)，最大距離可達(dá)15km；用于10Mbps局域網(wǎng)時(shí)，與集線(xiàn)器的最大距離為100m。⑤抗干擾性：雙絞線(xiàn)的抗干擾性取決于一束線(xiàn)中相鄰線(xiàn)對(duì)的扭曲長(zhǎng)度及適當(dāng)?shù)钠帘未胧?．同軸電纜同軸電纜由內(nèi)、外兩個(gè)同心的導(dǎo)體組成，。內(nèi)導(dǎo)體是一根銅質(zhì)導(dǎo)線(xiàn)或多股銅線(xiàn)，外導(dǎo)體是圓柱形銅箔或用細(xì)銅絲編織的圓柱形網(wǎng)，內(nèi)、外導(dǎo)體之間用絕緣物充填，在最外層有橡膠或塑料的增強(qiáng)層。同軸電纜的組成由里往外依次是銅芯、塑膠絕緣層、細(xì)銅絲組成的網(wǎng)狀導(dǎo)體（屏蔽層）和塑料保護(hù)膜。因?yàn)殂~芯與網(wǎng)狀導(dǎo)體同軸，所以稱(chēng)為同軸電纜。同軸電纜同軸電纜按其直徑可分為粗纜和細(xì)纜兩種。粗纜直徑為10mm，細(xì)纜直徑為5mm。除了按直徑劃分外，同軸電纜有多種規(guī)格，常用的有：①RG-11，用于粗以太網(wǎng)中，阻抗為50，適于傳送數(shù)字信號(hào)；②RG-58，用于細(xì)以太網(wǎng)中，阻抗為50；③RG-59，是一種寬帶傳輸?shù)碾娋€(xiàn)，常用于有線(xiàn)電視網(wǎng)中，數(shù)字或模擬信號(hào)都可以傳輸，帶寬為50MHz，阻抗為75；④RG-62，是專(zhuān)用于ARCnet（Datapoint公司1977年開(kāi)發(fā)成功的一種局域網(wǎng)）的電纜，阻抗為93。圖2-9同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意圖同軸電纜局域網(wǎng)中常用到的同軸電纜有以下兩種。①特性阻抗為50的同軸電纜：用于傳送數(shù)字信號(hào)，分為粗纜和細(xì)纜兩種。②特性阻抗為75的公用天線(xiàn)電視（CommunityAntennaTelevision，CATV）電纜：用于傳送模擬信號(hào)，這種電纜也稱(chēng)為寬帶（broadband）同軸電纜。同軸電纜的特性①物理特性：同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣層、屏蔽層及外部保護(hù)層組成，其特性參數(shù)由內(nèi)、外導(dǎo)體及絕緣層的電參數(shù)與機(jī)械尺寸決定。②連通性：同軸電纜既支持點(diǎn)到點(diǎn)連接，也支持多點(diǎn)連接?；鶐S電纜可支持?jǐn)?shù)百臺(tái)設(shè)備的連接，而寬帶同軸電纜可支持?jǐn)?shù)千臺(tái)設(shè)備的連接。③地理范圍：基帶同軸電纜使用的最大距離限制在幾千米范圍內(nèi)，寬帶同軸電纜的最大距離可達(dá)幾十千米。④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)。⑤價(jià)格：同軸電纜的造價(jià)介于雙絞線(xiàn)與光纜之間，使用與維護(hù)方便。3．光纜光纖是能夠傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，它非常纖細(xì)，直徑約為125m。能傳導(dǎo)光波的石英、多種玻璃和塑料都可以用來(lái)制作光纖。用超純?nèi)酃柚瞥傻墓饫w已經(jīng)可將光纖的損耗降至最低。一條光纜由多條光纖組成。與銅纜（雙絞線(xiàn)和同軸電纜）相比，光纜適應(yīng)了目前網(wǎng)絡(luò)對(duì)長(zhǎng)距離、大容量信息傳輸?shù)囊?，已?jīng)被廣泛用于企業(yè)、校園主干網(wǎng)絡(luò)及遠(yuǎn)距離傳輸網(wǎng)絡(luò)中，成為傳輸介質(zhì)中的佼佼者。（1）光纖和光纜的結(jié)構(gòu)光纖通常由石英玻璃拉制而成，主要包括纖芯和包層兩部分。纖芯很細(xì)，其直徑只有8～70m。包層的折射率比纖芯的折射率低，所以光波在纖芯與包層的界面上可實(shí)現(xiàn)全反射。這樣，當(dāng)光波通過(guò)纖芯傳導(dǎo)時(shí)，可保持在纖芯內(nèi)。由于光纖非常細(xì)，所以必須將光纖做成結(jié)實(shí)的光纜來(lái)使用。一根光纜一般包含一根或數(shù)十到數(shù)百根光纖，再配上加強(qiáng)芯、填充物和外保護(hù)套等部分，用以提高其機(jī)械強(qiáng)度，方便實(shí)際應(yīng)用。（2）光纖的分類(lèi)光纖通過(guò)纖芯內(nèi)部的全反射來(lái)傳輸經(jīng)過(guò)編碼的光束（光信號(hào)）。光纖工作常用的3個(gè)頻段的中心波長(zhǎng)分別為0.85m，1.30m與1.55m。這3個(gè)頻段的帶寬都在25000GHz～30000GHz之間，因此光纖的通信容量是很大的。光纖可以分為單模與多模兩類(lèi)。通俗地講，單模光纖是指光纖中的光信號(hào)僅與光纖軸成單個(gè)可分辨角度的單光線(xiàn)傳輸，多模光纖是指光纖中的光信號(hào)與光纖軸成多個(gè)可分辨角度的多光線(xiàn)傳輸。光線(xiàn)在多模光纖和單模光纖中的傳輸圖2-11光線(xiàn)在多模光纖和單模光纖中的傳輸（3）光纜的特性多模光纖的傳輸速率低、傳輸距離短，整體的傳輸性能差，但成本低，一般用于建筑物內(nèi)或地理位置相鄰的環(huán)境中；單模光纖傳輸頻帶寬、容量大，傳輸距離長(zhǎng)，但需要用激光源，成本較高，通常在建筑物之間或地域分散的環(huán)境中使用。與同軸電纜比較，光纖可提供極寬的頻帶，且功率損耗小、傳輸距離長(zhǎng)（2km以上）、傳輸速率高（可達(dá)數(shù)千Mbps）、抗干擾性強(qiáng)（不會(huì)受到電子監(jiān)聽(tīng)），是構(gòu)建安全性網(wǎng)絡(luò)的理想選擇。光纖也存在著一些缺點(diǎn)：纖芯質(zhì)地脆，機(jī)械強(qiáng)度低；切斷和連接中的技術(shù)要求較高，需要專(zhuān)用設(shè)備；分路、耦合較麻煩，所用的接口設(shè)備及接插器件比較昂貴。（4）光纖通信系統(tǒng)光纖通信是以光波為載波，光纖為傳輸介質(zhì)的通信方式。當(dāng)光纖中有光脈沖出現(xiàn)時(shí)表示數(shù)字“1”，反之為數(shù)字“0”。光纖通信的主要組成部分有光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)和光纖，當(dāng)進(jìn)行長(zhǎng)距離信息傳輸時(shí)還需要中繼器。

圖2-12光纖中信號(hào)的轉(zhuǎn)換原理2.3.2無(wú)線(xiàn)傳輸介質(zhì)無(wú)線(xiàn)傳輸是指在自由空間（地球上大氣的性質(zhì)也類(lèi)似于自由空間）中進(jìn)行電磁波的傳輸，其傳輸方法包括：微波（microwave）傳輸無(wú)線(xiàn)電（radiowave）傳輸紅外（infraredlight）傳輸激光（laser）傳輸1．微波傳輸微波是指頻率大于1GHz的電磁波。采用較小的發(fā)射功率（約1W），并配合定向高增益微波天線(xiàn)，每隔16～80km設(shè)置一個(gè)中繼站，就可以構(gòu)建起微波通信系統(tǒng)。數(shù)字微波設(shè)備接收與傳送的是數(shù)字信號(hào)，數(shù)字微波信號(hào)采用正交調(diào)幅（QAM）或相移鍵控（PSK）等調(diào)制方式。（1）微波傳播的類(lèi)型①自由空間傳播（freespacetransmission）。自由空間傳播假設(shè)微波傳輸?shù)膬牲c(diǎn)之間直線(xiàn)上沒(méi)有物體阻擋，而且直線(xiàn)周?chē)仨氼A(yù)留相當(dāng)大的空間，即在直線(xiàn)附近的某一個(gè)范圍內(nèi)也必須避免存在物體才行。這是由于微波天線(xiàn)具有良好的指向性，發(fā)射信號(hào)的波面會(huì)逐漸擴(kuò)大，如果遇到物體阻擋，就會(huì)經(jīng)過(guò)反射路徑到達(dá)接收點(diǎn)。②視線(xiàn)傳播（line-of-sighttransmission）。視線(xiàn)傳播是指發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)之間能夠互相“看見(jiàn)”。這種傳播方式能夠傳播的距離不遠(yuǎn)，主要有兩點(diǎn)原因。一是由于信號(hào)從發(fā)射點(diǎn)出發(fā)，其能量是以?xún)缂?jí)數(shù)規(guī)律遞減的；二是由于地球是圓的，在地球上任何一點(diǎn)發(fā)出的電磁波按直線(xiàn)前進(jìn)的方向，最終將離開(kāi)地球射向天空。（2）微波系統(tǒng)微波作為通信手段已經(jīng)有幾十年的歷史。在通信衛(wèi)星使用前，我國(guó)的電視信號(hào)就是靠大約每50km建立一個(gè)微波站，來(lái)一站一站傳送的，這屬于地面微波系統(tǒng)。在通信衛(wèi)星使用后，電視信號(hào)先傳送給同步衛(wèi)星，再由衛(wèi)星向地面上轉(zhuǎn)發(fā)，覆蓋極大的區(qū)域，這種系統(tǒng)屬于星載微波系統(tǒng)。①地面微波系統(tǒng)地面微波系統(tǒng)如圖2-13所示，在各個(gè)微波站之間用拋物面天線(xiàn)進(jìn)行互相通信。兩微波站在天線(xiàn)之間應(yīng)該是可通視的（即兩點(diǎn)之間無(wú)物體阻隔）。微波系統(tǒng)中各站之間不需要電線(xiàn)連接，因此在一些特殊場(chǎng)合有不可替代性。例如，要通過(guò)一塊荒無(wú)人煙的沼澤地，或者通信必須經(jīng)過(guò)山區(qū)或一條高速公路，在這些情況下，采用微波系統(tǒng)不失為最佳選擇。圖2-13地面微波系統(tǒng)②星載微波系統(tǒng)星載微波系統(tǒng)如圖所示，發(fā)射站和接收站設(shè)置在地面，衛(wèi)星上放置轉(zhuǎn)發(fā)器。首先由地面發(fā)射站向衛(wèi)星發(fā)送微波信號(hào)，衛(wèi)星在接收到該信號(hào)后，由轉(zhuǎn)發(fā)器向地面轉(zhuǎn)發(fā)，供各地面站接收。星載系統(tǒng)覆蓋面積極大，一顆同步衛(wèi)星大約能覆蓋1/3的地球表面，所以3顆地球同步衛(wèi)星就可以覆蓋全球。用戶(hù)的地面設(shè)備包括一個(gè)直徑為0.75～2.4m的拋物面天線(xiàn)、接收機(jī)、電纜及網(wǎng)卡等?？梢园岩活w衛(wèi)星看做一個(gè)集線(xiàn)器（只是這個(gè)集線(xiàn)器距地面大約有36000km），各地面接收站看做結(jié)點(diǎn)，這樣就形成了一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)。（3）微波傳輸介質(zhì)的性能指標(biāo)微波傳輸介質(zhì)的性能指標(biāo)包括以下幾點(diǎn)。①頻率范圍：微波系統(tǒng)一般工作在較低的GHz頻段，地面系統(tǒng)通常為4～6GHz或21～23GHz，星載系統(tǒng)通常為11～14GHz。②成本：微波系統(tǒng)中發(fā)射機(jī)天線(xiàn)等硬件的價(jià)格占很大比重。③安裝：地面微波系統(tǒng)的安裝復(fù)雜、困難。④帶寬：微波系統(tǒng)常用的信號(hào)帶寬為1～10Mbps，高的可達(dá)幾十Mbps。⑤衰減：微波的衰減性與其天線(xiàn)尺寸和信號(hào)頻率有關(guān)，微波頻率高、波長(zhǎng)短，所以其衰減性還與大氣狀況有關(guān)，大雨或大霧都會(huì)影響長(zhǎng)距離的微波傳輸。⑥抗干擾性：由于開(kāi)放電磁傳輸?shù)墓残裕⒉ㄏ到y(tǒng)對(duì)外界干擾敏感，在微波系統(tǒng)中常采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)來(lái)防止竊聽(tīng)。2．無(wú)線(xiàn)電傳輸無(wú)線(xiàn)電傳輸采用無(wú)線(xiàn)電臺(tái)或?qū)ｉT(mén)的發(fā)射機(jī)以廣播方式來(lái)傳送數(shù)據(jù)。如果電臺(tái)功率足夠大，通信距離可達(dá)幾十千米，很適于移動(dòng)工作站或野外工作站之間的連網(wǎng)，但保密性差。個(gè)人通信服務(wù)主要依靠這種方式。無(wú)線(xiàn)電頻率分為管制和非管制的兩部分。非管制頻段是開(kāi)放的，可以隨意使用。管制頻段中包含軍用、警用、醫(yī)用、救生等各種專(zhuān)用頻段，不能隨意使用，必須經(jīng)專(zhuān)門(mén)部門(mén)審批。這種部門(mén)在美國(guó)是聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC），在中國(guó)是國(guó)家無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)。

無(wú)線(xiàn)電傳輸示意圖2-15無(wú)線(xiàn)電傳輸示意圖3．紅外傳輸紅外傳輸是以紅外線(xiàn)（infraredlight）作為傳輸載體的一種通信方式。它以紅外發(fā)光二極管（LED）或紅外激光管（ILD）作為發(fā)射源，以光電二極管（photodiode）作為接收設(shè)備。紅外傳輸是目前另一種廣泛采用的無(wú)線(xiàn)通信方式。它的成本低廉，但傳輸距離較近。紅外線(xiàn)類(lèi)似光線(xiàn)，有直線(xiàn)傳輸?shù)男再|(zhì)，不能繞過(guò)不透明的物體。但這一點(diǎn)可以通過(guò)將紅外線(xiàn)射到墻壁再反射的方法加以解決。另外，紅外線(xiàn)不存在頻率分配的問(wèn)題，所以沒(méi)有必要取得使用許可。在紅外傳輸方式中，按照紅外線(xiàn)是否有方向性可分成兩類(lèi)：點(diǎn)到點(diǎn)方式（pointtopoint）和廣播方式（broadcast）。點(diǎn)到點(diǎn)方式與廣播方式的紅外傳輸圖2-16點(diǎn)到點(diǎn)方式與廣播方式的紅外傳輸4．激光傳輸紅外線(xiàn)通信和激光通信是把要傳輸?shù)男盘?hào)分別轉(zhuǎn)換為紅外光信號(hào)和激光信號(hào)，直接在空間傳播。紅外傳輸?shù)墓ぷ黝l率為1011～1014Hz，通信時(shí)其方向性非常強(qiáng)，且?guī)缀醪皇芨蓴_。激光傳輸?shù)墓ぷ黝l率更高，一般為1014～1015Hz，用調(diào)制解調(diào)的相干激光實(shí)現(xiàn)通信。激光能直接在空氣中傳輸而不需要通過(guò)有形的光導(dǎo)體，并有在很長(zhǎng)的距離內(nèi)保持聚焦（即定向）的特點(diǎn)。它和微波在直線(xiàn)傳輸上有相似性，但是和紅外傳輸一樣，不必經(jīng)過(guò)政府管理部門(mén)授權(quán)分配頻率。激光同樣不能被遮擋，而且對(duì)雨、雪和霧都比較敏感，這限制了它的應(yīng)用。有時(shí)可用激光傳輸來(lái)連接不同建筑物中的局域網(wǎng)絡(luò)。例如，當(dāng)在建筑物之間要跨越公共空間（如通過(guò)公路），無(wú)法輕易地安放纜線(xiàn)時(shí)，激光傳輸特別有用。2.4數(shù)據(jù)編碼技術(shù)2.4.1基本調(diào)制技術(shù)2.4.2脈沖編碼調(diào)制技術(shù)2.4.3數(shù)字信號(hào)的編碼技術(shù)2.4.1基本調(diào)制技術(shù)模擬信號(hào)傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，它是頻率恒定的連續(xù)信號(hào)。由于在計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程通信線(xiàn)路中不能直接傳送基帶信號(hào)，因此，必須用基帶脈沖對(duì)載波波形的某個(gè)參數(shù)進(jìn)行控制，以形成適合于線(xiàn)路傳送的信號(hào)，這稱(chēng)為調(diào)制。載波信號(hào)可以表示為。式中，A為載波的振幅，為載波頻率，為載波相位。只要讓參數(shù)A，，中的任何一個(gè)隨調(diào)制信號(hào)發(fā)生變化，便可以攜帶信息。最基本的二元調(diào)制方法有以下幾種。1.振幅調(diào)制振幅調(diào)制也稱(chēng)為幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying，ASK），是指用數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的振幅。當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)為1時(shí)，振幅調(diào)制信號(hào)的振幅保持某個(gè)電平不變，即有載波信號(hào)發(fā)射；當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)為0時(shí)，振幅調(diào)制信號(hào)的振幅為0，即沒(méi)有載波信號(hào)發(fā)射。圖2-17振幅調(diào)制的波形示意圖2.頻率調(diào)制頻率調(diào)制也稱(chēng)為頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK），是指用數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的頻率f。當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)為1時(shí)，頻率調(diào)制信號(hào)的角頻率為，當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘?hào)為0時(shí)，頻率調(diào)制信號(hào)的角頻率為。圖2-18頻率調(diào)制的波形示意圖3.相位調(diào)制相位調(diào)制也稱(chēng)為相移鍵控（PhaseShiftKeying，PSK），是指用數(shù)字基帶信號(hào)控制正弦載波信號(hào)的相位。相位調(diào)制又可以分為絕對(duì)相移調(diào)制和相對(duì)相移調(diào)制。圖2-19絕對(duì)相移調(diào)制的波形示意圖圖2-20相對(duì)相移調(diào)制的波形示意圖4.多進(jìn)制調(diào)制當(dāng)用多進(jìn)制的數(shù)字基帶信號(hào)調(diào)制載波時(shí)，可得到多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號(hào)。通常將多進(jìn)制的數(shù)目M取為2n。當(dāng)攜帶信息的參數(shù)分別為載波的幅度、頻率和相位時(shí)，數(shù)字調(diào)制信號(hào)為M進(jìn)制幅移鍵控（MASK）、M進(jìn)制頻移鍵控（MFSK）和M進(jìn)制相移鍵控（MPSK）。當(dāng)信道頻帶受限時(shí)，采用M進(jìn)制數(shù)字調(diào)制可以增大數(shù)據(jù)傳輸速率，提高頻帶利用率。2.4.2脈沖編碼調(diào)制技術(shù)

PCM基于奈奎斯特采樣定理（NyquistSamplingTheorem）：如果在規(guī)定的時(shí)間間隔內(nèi)，以有效信號(hào)f(t)最高頻率的2倍或2倍以上的速率對(duì)該信號(hào)進(jìn)行采樣，則這些采樣值包含了無(wú)混疊而又便于分離的全部原始信號(hào)信息，可以利用低通濾波器不失真地從這些采樣值中重新構(gòu)造出f(t)。

信號(hào)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過(guò)程信號(hào)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖2-23所示，包括采樣、量化和編碼3個(gè)步驟，還原過(guò)程則包括解碼、逆量化和平滑3個(gè)相反的步驟。PCM的原理如圖2-24所示。圖2-23信號(hào)數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過(guò)程圖2-24PCM的原理示意圖2.4.3數(shù)字信號(hào)的編碼技術(shù)在數(shù)據(jù)通信中，由DTE產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)一般要經(jīng)過(guò)編碼才能送入信道。而二進(jìn)制數(shù)字信息在傳輸過(guò)程中可以采用不同的代碼，各種代碼的抗噪聲和編碼性能不相同，實(shí)現(xiàn)費(fèi)用（通信效率）也不一樣。

圖2-25不歸零編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼的編碼規(guī)則示意圖2.5信道復(fù)用技術(shù)2.5.1概述2.5.2頻分多路復(fù)用2.5.3時(shí)分多路復(fù)用2.5.4波分多路復(fù)用2.5.5碼分多路復(fù)用2.5.1概述為了有效地利用數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，人們希望通過(guò)同時(shí)攜帶多個(gè)信號(hào)來(lái)高效率地使用傳輸介質(zhì)，這稱(chēng)為多路復(fù)用（Multiplexing,MUX）。常用的信道復(fù)用技術(shù)有頻分多路復(fù)用（FrequencyDivisionMultiplexing,FDM）、時(shí)分多路復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing,TDM）、波分多路復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）和碼分多址（CodeDivisionMultipleAccess,CDMA）。2.5.2頻分多路復(fù)用頻分多路復(fù)用是指，將一條物理信道可以傳輸?shù)念l帶分割成若干較窄的子頻帶，每個(gè)子頻帶構(gòu)成一個(gè)子通道，獨(dú)立地傳輸一路信號(hào)。

圖2-27頻分多路復(fù)用2.5.3時(shí)分多路復(fù)用若介質(zhì)能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率超過(guò)傳輸所需的數(shù)據(jù)速率，便可以采用時(shí)分多路復(fù)用技術(shù)。采用TDM技術(shù)時(shí)，將一條傳輸信道按照一定的時(shí)間間隔，分割成多條獨(dú)立的、速率較低的傳輸信道。每個(gè)時(shí)間間隔稱(chēng)為一個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片由復(fù)用的一個(gè)信號(hào)占用，每個(gè)信號(hào)按時(shí)間片輪流交替地使用單一信道，從而使得多個(gè)數(shù)字信號(hào)在宏觀上同時(shí)進(jìn)行傳輸。圖2-28時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用時(shí)分多路復(fù)用又分為同步時(shí)分多路復(fù)用和異步時(shí)分多路復(fù)用。（1）同步時(shí)分多路復(fù)用同步時(shí)分多路復(fù)用（SynchronousTDM，STDM）將時(shí)間片預(yù)先分配給各個(gè)信道，并且時(shí)間片固定不變，因此各個(gè)信道的發(fā)送與接收必須是同步的。（2）異步時(shí)分多路復(fù)用異步時(shí)分多路復(fù)用（AsynchronousTDM，ATDM）又稱(chēng)為統(tǒng)計(jì)時(shí)分多路復(fù)用。ATDM允許動(dòng)態(tài)地分配使用傳輸介質(zhì)的時(shí)間。在ATDM中，時(shí)間片是按需動(dòng)態(tài)分配的，即在輸入端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)才分配時(shí)間片；并且傳輸介質(zhì)的傳輸帶寬只要不低于各個(gè)信道上信號(hào)的平均數(shù)據(jù)傳輸速率即可，這樣就提高了傳輸介質(zhì)的利用率。T1載波系統(tǒng)目前，應(yīng)用最廣泛的時(shí)分多路復(fù)用方法是美國(guó)AT&T公司的T1載波系統(tǒng)。T1載波系統(tǒng)將24路語(yǔ)音信道復(fù)用在一條通信線(xiàn)路上。每路音頻模擬信號(hào)在送到多路復(fù)用器之前，要通過(guò)一個(gè)PCM編碼器，編碼器每秒采樣8000次。24路PCM信號(hào)的每一路輪流將一個(gè)字節(jié)插入到幀中，每個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度為8，其中7位是數(shù)據(jù)位，1位用于信道控制。這樣，每幀由24×8=192位組成，附加1位作為幀的開(kāi)始標(biāo)志，所以每幀有193位。由于發(fā)送一幀需要125s，所以T1載波的數(shù)據(jù)傳輸速率為1.544Mbps。2.5.4波分多路復(fù)用波分多路復(fù)用是一種光頻分復(fù)用技術(shù)，它充分利用了光載波帶寬極寬這一特點(diǎn)。也就是說(shuō)，在不同信道的信號(hào)采用不同頻率的光載波，多路光信號(hào)通過(guò)光學(xué)的方法復(fù)用后在同一條光纖中傳輸，在接收方同樣采用光學(xué)的方法解復(fù)用來(lái)獲得每一信道的信號(hào)。一般在WDM中，信道間的間隔較大（>100GHz）。圖2-29所示為波分多路復(fù)用的基本工作原理。兩束光波通過(guò)棱鏡（或光柵）后，使用一條共享的光纖傳輸，它們到達(dá)目的點(diǎn)后，再經(jīng)過(guò)棱鏡（或光柵）重新分成兩束光波。圖2-29波分多路復(fù)用原理示意圖2.5.5碼分多路復(fù)用碼分多路復(fù)用技術(shù)也稱(chēng)為碼分多址（CDMA）技術(shù)，是用于移動(dòng)通信、無(wú)線(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及移動(dòng)性計(jì)算機(jī)連網(wǎng)通信的一種新的復(fù)用技術(shù)。2.6物理層協(xié)議與接口標(biāo)準(zhǔn)2.6.1物理層特性2.6.2典型的物理層接口標(biāo)