ψζχγ-西南財(cái)經(jīng)大學(xué)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)第2章物理層

西南財(cái)經(jīng)高校經(jīng)濟(jì)信息工程學(xué)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(shè)備和傳輸介質(zhì)的差異，主要任務(wù)為描述與確定：機(jī)械特性指明接口所用接線器的形態(tài)和尺寸、引線數(shù)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(xiàn)的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義。過程特性指明對(duì)于不同功能的各種可能事務(wù)的出現(xiàn)依次。2.2數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)學(xué)問

2.2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型傳輸系統(tǒng)輸入信息輸入數(shù)據(jù)發(fā)送的信號(hào)接收的信號(hào)輸出數(shù)據(jù)源點(diǎn)終點(diǎn)發(fā)送器接收器調(diào)制器PC機(jī)公用電話網(wǎng)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)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)輸出信息PC機(jī)幾個(gè)術(shù)語通信的目的是傳送消息，如語音、文字、圖像等。數(shù)據(jù)(data)——運(yùn)輸消息的實(shí)體。信號(hào)(signal)——數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。“模擬的”(analogous)——代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的?！皵?shù)字的”(digital)——代表消息的參數(shù)的取值是離散的。2.2.2有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個(gè)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(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）——通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息?；鶐?baseband)信號(hào)和

帶通(bandpass)信號(hào)基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）——來自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。基帶信號(hào)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(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)。帶通信號(hào)——把基帶信號(hào)經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號(hào)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(nèi)能夠通過信道）。幾種最基本的調(diào)制方法對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)的方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變更。調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變更。調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變更。對(duì)基帶數(shù)字信號(hào)的幾種調(diào)制方法010011100基帶信號(hào)調(diào)幅調(diào)頻調(diào)相2.2.3信道的極限容量學(xué)者始終致力于提高數(shù)據(jù)傳輸速率。但傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)峻。任何實(shí)際的信道都不是志向的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道有失真，但可識(shí)別失真大，無法識(shí)別實(shí)際的信道（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)際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號(hào)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?shù)乃俾适怯猩舷薜模駝t就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對(duì)碼元的識(shí)別成為不行能。1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的志向條件下，為了避開碼間串?dāng)_，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(hào)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(xiàn)碼間串?dāng)_。(2)信噪比1948年香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為

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

香農(nóng)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(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。請(qǐng)留意對(duì)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(dá)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(gè)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(zhì)或傳輸媒介分成兩大類導(dǎo)向傳輸媒體：電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒體傳播非導(dǎo)向傳輸媒體：電磁波在自由空間傳播2.3.1導(dǎo)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(dǎo)體屏蔽層絕緣層絕緣疼惜套層內(nèi)導(dǎo)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?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷?.3.2非導(dǎo)向傳輸媒體無線傳輸所運(yùn)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(zhì)量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛(wèi)星通信共享信道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)中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復(fù)用分用(a)不運(yùn)用復(fù)用技術(shù)(b)運(yùn)用復(fù)用技術(shù)頻分復(fù)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(gè)頻帶。頻分復(fù)用的全部用戶在同樣的時(shí)間占用不同的頻率帶寬。頻率時(shí)間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5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)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長(zhǎng)度）。TDM信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。時(shí)分復(fù)用的全部用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用頻率時(shí)間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成

線路資源的奢侈ABCDaabbcdbcattttt4個(gè)時(shí)分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時(shí)分復(fù)用#2#3#4用戶運(yùn)用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對(duì)支配到的子信道的利用率一般是不高的。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1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分復(fù)用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器2.4.3碼分復(fù)用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)碼分多址：各用戶運(yùn)用經(jīng)過特殊選擇的不同碼型，彼此不會(huì)造成干擾。起初用于軍事，發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾實(shí)力，其頻譜類似于噪聲，不易被敵人發(fā)覺?，F(xiàn)廣泛用于民用通信，可提高話音質(zhì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)睦慰啃?，增大通信系統(tǒng)的容量，降低手機(jī)的平均放射功率等。2.6寬帶接入技術(shù)

2.6.1xDSL技術(shù)xDSL技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制在300~3400Hz的范圍內(nèi)，而用戶線本身實(shí)際可通過的信號(hào)頻率超過了1MHz。xDSL技術(shù)就把0~4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話運(yùn)用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)運(yùn)用。DSL就是數(shù)字用戶線(DigitalSubscriberLine)的縮寫。而DSL的前綴x則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案。ADSL的特點(diǎn)上行和下行帶寬做成不對(duì)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