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(shí),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(hào)（signal）：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。模擬的（信號(hào)或數(shù)據(jù)）（analog)：連續(xù)變化的。數(shù)字的（信號(hào)或數(shù)據(jù)）（digital)：取值僅允許為有限的幾個(gè)離散值。,t,t,t,U,U,U,0,0,0,（a）模擬信號(hào),（b）數(shù)字信號(hào)1,（c）數(shù)字信號(hào)2,2.2.2數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型,正文,數(shù)字比特流,模擬信號(hào),公用電話網(wǎng),模擬信號(hào),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(hào),接收的信號(hào),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(gè)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(hào)的過(guò)程叫做調(diào)制。,解調(diào)：將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)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(gè)概念,信道（channel）,信道和電路并不等同，信道一般表示向某一個(gè)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?hào)可分為模擬信道和數(shù)字信道，信道上傳輸?shù)男盘?hào)還有基帶信號(hào)和寬帶信號(hào)之分。,通信雙方的交互方式,單向通信：只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。也稱(chēng)單工通信。雙向交替通信：一方發(fā)送，另一方接收，過(guò)一段時(shí)間后再反過(guò)來(lái)。但不能雙方同時(shí)發(fā)送，也不能同時(shí)接收。也稱(chēng)半雙工通信。雙向同時(shí)通信：通信雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息，也稱(chēng)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(chēng)為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率。單位為：碼元/秒，稱(chēng)為：波特（Baud）。對(duì)于模擬信號(hào)的傳輸，波特率是指調(diào)制解調(diào)器上輸出的調(diào)制信號(hào)每秒鐘調(diào)制載波狀態(tài)改變的次數(shù)。對(duì)于數(shù)字信號(hào)傳輸，波特率是指線路上每秒鐘傳送的波形個(gè)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(hào)的傳輸速率。如果一個(gè)碼元攜帶一個(gè)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(gè)碼元攜帶n個(gè)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(hào)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(chēng)傳輸介質(zhì)）分為有線和無(wú)線兩大類(lèi)。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(duì)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(hào)還是模擬信號(hào),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?？垢蓴_性:防止噪聲與電磁干擾對(duì)傳輸數(shù)據(jù)影響的能力。相對(duì)價(jià)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(lái)就構(gòu)成了雙絞線。一對(duì)線可以作為一條通信線路,各個(gè)線對(duì)螺旋排列的目的是為了使各線對(duì)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(lèi)，最常用的雙絞線有3類(lèi)和5類(lèi)，均由4對(duì)雙絞線組成，3類(lèi)雙絞線傳輸速率可達(dá)10bps，5類(lèi)雙絞線傳輸速率可達(dá)100bps。它們之間的區(qū)別在于單位長(zhǎng)度的絞合次數(shù)不同：3類(lèi)的絞合長(zhǎng)度為7.5cm10cm，5類(lèi)為0.6cm0.85cm。,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(shí),最大距離可達(dá)15公里;用于10Mbps局域網(wǎng)時(shí),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(duì)的扭曲長(zhǎng)度及適當(dāng)?shù)钠帘蝺r(jià)格:雙絞線的價(jià)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。基帶(50歐姆)同軸電纜一般僅用于數(shù)字信號(hào)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(shí)稱(chēng)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?？垢蓴_性:同軸電纜的結(jié)構(gòu)使得它的抗干擾能力較強(qiáng)。價(jià)格:同軸電纜的造價(jià)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8m100m的柔軟、能傳導(dǎo)光波的介質(zhì)，多種玻璃和塑料可以用來(lái)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(lái)，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(guò)內(nèi)部的全反射來(lái)傳輸一束經(jīng)過(guò)編碼的光信號(hào)。光波通過(guò)光纖內(nèi)部全反射進(jìn)行光傳輸?shù)倪^(guò)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(lèi)。,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(hào)衰減極小,它可以在6km8km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(zhǎng)距離、高速率的傳輸中保持低誤碼率。價(jià)格:目前,光纖價(jià)格高于同軸電纜與雙絞線。,用自由空間作為傳輸介質(zhì)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。特點(diǎn):信號(hào)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(wú)線電話網(wǎng)。分類(lèi):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(wú)線傳輸媒體,（1）地面微波接力通信,原理:長(zhǎng)距離傳輸時(shí)每隔一段距離就需架中繼站,將前一信號(hào)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(jiàn)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(wèn)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(wú)關(guān);具有較大的傳輸延遲,且傳輸延遲相對(duì)確定。優(yōu)點(diǎn)：頻帶很寬,通信容量大,信號(hào)受干擾??；通信比較穩(wěn)定。缺點(diǎn)：保密性較差,造價(jià)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(jià)格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切聽(tīng)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(wú)線局域網(wǎng)網(wǎng)的主要選擇對(duì)象。,2.4信道復(fù)用技術(shù),多路復(fù)用：在一個(gè)物理信道上傳輸多路信號(hào)（共享信道資源）。通過(guò)多路復(fù)用器將多路信號(hào)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(chēng)多路譯碼器）將各路信號(hào)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(shí)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(guò)單個(gè)原始信號(hào)所需帶寬情況下，可將該物理信道的總帶寬分割成若干個(gè)與傳輸單個(gè)信號(hào)帶寬相同(或略寬)的子信道，每個(gè)子信道傳輸一路信號(hào)，這就是頻分多路復(fù)用。,頻譜搬移：多路原始信號(hào)在頻分復(fù)用前，先要通過(guò)頻譜搬移技術(shù)將各路信號(hào)的頻譜搬移到物理信道頻譜的不同段上，使各信號(hào)的帶寬不相互重疊，然后用不同的頻率調(diào)制每一個(gè)信號(hào)，每個(gè)信號(hào)要一個(gè)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(lái)隔離每一個(gè)通道。頻分多路復(fù)用主要應(yīng)用于模擬信號(hào)。,2.4.2時(shí)分復(fù)用TDM（TimeDivisionMultiplexing）,若媒體能達(dá)到的位傳輸速率超過(guò)傳輸數(shù)據(jù)所需的數(shù)據(jù)傳輸速率，可采用時(shí)分多路復(fù)用TDM技術(shù)，即將一條物理信道按時(shí)間分成若干個(gè)時(shí)間片輪流地分配給多個(gè)信號(hào)使用。每一時(shí)間片由復(fù)用的一個(gè)信號(hào)占用，這樣，利用每個(gè)信號(hào)在時(shí)間上的交叉，就可以在一條物理信道上傳輸多個(gè)數(shù)字信號(hào)。時(shí)分多路復(fù)用不僅限于傳輸數(shù)字信號(hào)，也可同時(shí)交叉?zhèn)鬏斈M信號(hào)。（1）同步時(shí)分：時(shí)分方案中的時(shí)間片是分配好的，而且是固定不變的。（2）異步時(shí)分：允許動(dòng)態(tài)地分配傳輸媒體的時(shí)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(gè)變種。用來(lái)實(shí)現(xiàn)使用一根光纖同時(shí)傳輸多個(gè)頻率很接近的光載波信號(hào)。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(hào)。,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(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)；共享時(shí)間和頻率資源。,在CDMA中，每一個(gè)比特時(shí)間再劃分為m個(gè)短的間隔，稱(chēng)為碼片，通常m的取值為64或128。使用CDMA的每一個(gè)站被指派一個(gè)mbit碼片序列，一個(gè)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(gè)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(tái)計(jì)算機(jī)、一個(gè)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(hào)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(guò)DCE與通信傳輸線路相連,DTE,DTE,DCE,DCE,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(hào)線與控制線,信號(hào)線與控制線,2.5.2EIA-232-E接口標(biāo)準(zhǔn),對(duì)DTE和DCE的接口制訂的標(biāo)準(zhǔn)就是所謂的物理層協(xié)議。,EIA,ElectronicIndustriesAssociation美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)。,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(shū)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(zhǎng)度在15m以?xún)?nèi)，傳輸速率不超過(guò)20kb/s，長(zhǎng)度越短，速度越快。規(guī)程特性：與CCITT的V.24建議書(shū)一致。規(guī)定各事件發(fā)生的次序。,功能特性：,與CCITT的V.24建議書(shū)一致，它規(guī)定了25根引腳的功能及電路連接。圖2-28畫(huà)出了25根引腳中的10根的信號(hào)定義。,（1）保護(hù)地,（2）發(fā)送數(shù)據(jù),（3）接收數(shù)據(jù),（4）請(qǐng)求發(fā)送,（5）允許發(fā)送,（6）DCE就緒,（7）信號(hào)地,（8）載波檢測(cè),（20）DTE就緒,（22）振鈴指示,DTE,DCE,計(jì)算機(jī)或終端,調(diào)制解調(diào)器,圖2-28EIA-232/V.24的信號(hào)定義,2.5.3RS-449接口標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介,RS-449相當(dāng)于CCITTV.35，規(guī)定了接口的機(jī)械特性、功能特性和過(guò)程特性。插頭座采用37根引腳。RS-423-A規(guī)定采用非平衡傳輸（所有電路共用一個(gè)公共地