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)鏈路實體之間進(jìn)行比特傳輸?shù)奈锢磉B接。數(shù)據(jù)鏈路層實體所謂的數(shù)據(jù)鏈路層實體可以理解為DTE（DataTerminalEquipment）或DCE（DataCircuitEquipment或DataCommunicationsEquipment）。這里的DTE指的是數(shù)據(jù)終端設(shè)備，是對屬于用戶所有的聯(lián)網(wǎng)設(shè)備或工作站的統(tǒng)稱，它們是通信的信源或信宿，如計算機(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，是對為用戶提供接入點的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)稱，如自動呼叫應(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，也是通信中實際傳送信息的載體。主要包括雙絞線、同軸電纜、光纜、無線傳輸介質(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、集線器等

物理層功能的實現(xiàn)⑵物理層協(xié)議物理層協(xié)議實際上是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)點與物理信道如何連接的問題。物理層協(xié)議規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)接口的機(jī)械連接特性、電氣信號特性、信號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，使各個廠家的產(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)從一個結(jié)點迅速、可靠地傳輸?shù)搅硗庖粋€結(jié)點。一個完整的數(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

①數(shù)據(jù)（data）：是傳遞（攜帶）信息的實體，信息（information）則是數(shù)據(jù)的內(nèi)容或解釋。②信號（signal）：是數(shù)據(jù)的物理量編碼（通常為電編碼），數(shù)據(jù)以信號的形式傳播。無論信號或數(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離散數(shù)值。③模擬信號：是連續(xù)變化的電磁波，其取值可以有無限多個，是某種物理量的測量結(jié)果。這種信號可以不同頻率在各種通信介質(zhì)上傳輸。術(shù)語④數(shù)字信號：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。它用一系列符號表示信息，而每個符號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、數(shù)字信號間的關(guān)系2.2.2通信方式在計算機(jī)內(nèi)部的各部件之間、計算機(jī)與各種外部設(shè)備之間，以及計算機(jī)與計算機(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)傳輸中有多個數(shù)據(jù)位，如8個數(shù)據(jù)位（見圖2-4），同時在兩個設(shè)備之間傳輸。發(fā)送設(shè)備將8個數(shù)據(jù)位通過8條數(shù)據(jù)線傳送給接收設(shè)備，還可附加一位數(shù)據(jù)校驗位。接收設(shè)備可同時接收到這些數(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)傳輸線也稱為總線。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，需要一根至少有8條數(shù)據(jù)線（因為一個字節(jié)是8位）的電纜將兩個通信設(shè)備連接起來。當(dāng)進(jìn)行近距離傳輸時，這種方法的優(yōu)點是傳輸速度快，處理簡單；但在進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸時，這種方法的線路費(fèi)用就難以容忍了。在這種情況下，使用現(xiàn)成的電話線來進(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，又稱為單工通信，即只有在一個方向的通信而沒有反方向的交互。例如，無線電廣播、有線廣播和電視廣播。②雙向交替通信，又稱為半雙工通信，即通信雙方都可以發(fā)送信息，但在某一時刻，只允許數(shù)據(jù)在一個方向上傳輸，因而半雙工通信實際上是一種可切換方向的單工通信。③雙向同時通信，又稱為全雙工通信，即通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。因此全雙工通信是兩個單工通信方式的結(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為一個數(shù)字脈沖信號的寬度或重復(fù)周期，單位為s。碼元速率當(dāng)一個碼元僅取兩種離散值時，，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技術(shù)指標(biāo)“信號傳輸速率”，也稱為碼元速率、調(diào)制速率或波特率，單位為波特（baud）。信號傳輸速率表示單位時間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元個數(shù)，也就是信號經(jīng)調(diào)制后的傳輸速率。若信號碼元的寬度為T，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，一個碼元對應(yīng)于一位二進(jìn)制信息，即一個碼元有兩種有效離散值，此時調(diào)制速率和數(shù)據(jù)傳輸速率相等。但在調(diào)相的四相信號方式中，一個碼元對應(yīng)于兩位二進(jìn)制信息，即一個碼元有四種有效離散值，此時調(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)傳輸速率的對應(yīng)關(guān)系為2．信道容量

信道容量表示一個信道傳輸數(shù)據(jù)的能力，即單位時間內(nèi)可能傳送的最大比特數(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。因為任何實際信道都不是理想的，也就是說，信道的帶寬是有限的（即能通過的信號的頻帶寬度是有限的），而且在信道上還存在各種干擾，所以在傳輸信號時會帶來失真。（1）奈奎斯特公式對于無熱噪聲的信道，奈奎斯特（Nyquist）給出了碼元速率的極限值與信道帶寬的關(guān)系對于無熱噪聲的信道，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，給出了計算信道容量的香農(nóng)公式式中，S為信號功率，N為噪聲功率，S/N為信噪比。由于實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）為單位來計量，在使用時要特別注意。

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)傳輸時出錯的概率。設(shè)傳輸?shù)亩M(jìn)制數(shù)據(jù)總數(shù)為N位，其中出錯的位數(shù)為Ne，則誤碼率表示為在計算機(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1位。若誤碼率達(dá)不到這個指標(biāo)，可以通過差錯控制方法進(jìn)行檢錯和糾錯。2.3物理層下的數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)通常，對于一種傳輸介質(zhì)性能的評價指標(biāo)主要包括以下幾點：①物理特性——對傳輸介質(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，以及頻率范圍；③連通特性——允許點到點或多點連接；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傳輸數(shù)據(jù)影響的能力；⑥相對價格——器件、安裝與維護(hù)的費(fèi)用。傳輸介質(zhì)分類根據(jù)傳輸介質(zhì)的形態(tài)可以把傳輸介質(zhì)分為有線和無線（wireless）兩大類。有線傳輸介質(zhì)通過雙絞線或電纜等為電信號提供導(dǎo)體，是一種堅固、成熟的方式，在一個典型局域網(wǎng)中它是第一選擇。無線傳輸介質(zhì)中沒有導(dǎo)體存在，使用比較靈活、方便，在對象運(yùn)動和一些不能敷設(shè)電纜的環(huán)境中有著重要的應(yīng)用地位。2.3.1有線傳輸介質(zhì)有線傳輸介質(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)。有線傳輸介質(zhì)可以分為：雙絞線（twistedpaircable）同軸電纜（coaxialcable）光纜（opticalfibercable）1．雙絞線雙絞線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，在實際使用中通常是將這樣的兩對或四對線放在一起，每對線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)于一個天線的作用，信號會從一根導(dǎo)體進(jìn)入另一根導(dǎo)體中，這稱為串?dāng)_（crosstalk）。

雙絞線雙絞線可分為無屏蔽雙絞線（UnshieldedTwistedPairCable，UTP）和屏蔽雙絞線（ShieldedTwistedPairCable，STP）兩類。圖2-6雙絞線示意圖圖2-7無屏蔽雙絞線示意圖圖2-8屏蔽雙絞線示意圖雙絞線的主要特性

①物理特性：雙絞線由按規(guī)則螺旋結(jié)構(gòu)排列的2根、4根或8根絕緣導(dǎo)線組成。一對線可以作為一條通信線路，各個線對進(jìn)行螺旋排列的目的是為了使各線對之間的電磁干擾達(dá)到最小。②傳輸特性：在局域網(wǎng)中常用的雙絞線根據(jù)傳輸特性可以分為5類。在典型的Internet中，常用第3類、第4類與第5類無屏蔽雙絞線，通常簡稱為3類線、4類線和5類線。其中，3類線帶寬為16MHz，適用于語音及10Mbps以下的數(shù)據(jù)傳輸；5類線帶寬為l00MHz，適用于語音及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。雙絞線的主要特性③連通性：雙絞線既可用于點到點的連接，也可用于多點連接。④地理范圍：雙絞線用于遠(yuǎn)程中繼線時，最大距離可達(dá)15km；用于10Mbps局域網(wǎng)時，與集線器的最大距離為100m。⑤抗干擾性：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)钠帘未胧?．同軸電纜同軸電纜由內(nèi)、外兩個同心的導(dǎo)體組成，。內(nèi)導(dǎo)體是一根銅質(zhì)導(dǎo)線或多股銅線，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。因為銅芯與網(wǎng)狀導(dǎo)體同軸，所以稱為同軸電纜。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；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€，常用于有線電視網(wǎng)中，數(shù)字或模擬信號都可以傳輸，帶寬為50MHz，阻抗為75；④RG-62，是專用于ARCnet（Datapoint公司1977年開發(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，分為粗纜和細(xì)纜兩種。②特性阻抗為75的公用天線電視（CommunityAntennaTelevision，CATV）電纜：用于傳送模擬信號，這種電纜也稱為寬帶（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：同軸電纜既支持點到點連接，也支持多點連接。基帶同軸電纜可支持?jǐn)?shù)百臺設(shè)備的連接，而寬帶同軸電纜可支持?jǐn)?shù)千臺設(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（雙絞線和同軸電纜）相比，光纜適應(yīng)了目前網(wǎng)絡(luò)對長距離、大容量信息傳輸?shù)囊螅呀?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現(xiàn)全反射。這樣，當(dāng)光波通過纖芯傳導(dǎo)時，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)實的光纜來使用。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，方便實際應(yīng)用。（2）光纖的分類光纖通過纖芯內(nèi)部的全反射來傳輸經(jīng)過編碼的光束（光信號）。光纖工作常用的3個頻段的中心波長分別為0.85m，1.30m與1.55m。這3個頻段的帶寬都在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。通俗地講，單模光纖是指光纖中的光信號僅與光纖軸成單個可分辨角度的單光線傳輸，多模光纖是指光纖中的光信號與光纖軸成多個可分辨角度的多光線傳輸。光線在多模光纖和單模光纖中的傳輸圖2-11光線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，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（2km以上）、傳輸速率高（可達(dá)數(shù)千Mbps）、抗干擾性強(qiáng)（不會受到電子監(jiān)聽），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：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)行長距離信息傳輸時還需要中繼器。

圖2-12光纖中信號的轉(zhuǎn)換原理2.3.2無線傳輸介質(zhì)無線傳輸是指在自由空間（地球上大氣的性質(zhì)也類似于自由空間）中進(jìn)行電磁波的傳輸，其傳輸方法包括：微波（microwave）傳輸無線電（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，每隔16～80km設(shè)置一個中繼站，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，數(shù)字微波信號采用正交調(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之間直線上沒有物體阻擋，而且直線周圍必須預(yù)留相當(dāng)大的空間，即在直線附近的某一個范圍內(nèi)也必須避免存在物體才行。這是由于微波天線具有良好的指向性，發(fā)射信號的波面會逐漸擴(kuò)大，如果遇到物體阻擋，就會經(jīng)過反射路徑到達(dá)接收點。②視線傳播（line-of-sighttransmission）。視線傳播是指發(fā)射天線和接收天線之間能夠互相“看見”。這種傳播方式能夠傳播的距離不遠(yuǎn)，主要有兩點原因。一是由于信號從發(fā)射點出發(fā)，其能量是以冪級數(shù)規(guī)律遞減的；二是由于地球是圓的，在地球上任何一點發(fā)出的電磁波按直線前進(jìn)的方向，最終將離開地球射向天空。（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，我國的電視信號就是靠大約每50km建立一個微波站，來一站一站傳送的，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，在各個微波站之間用拋物面天線進(jìn)行互相通信。兩微波站在天線之間應(yīng)該是可通視的（即兩點之間無物體阻隔）。微波系統(tǒng)中各站之間不需要電線連接，因此在一些特殊場合有不可替代性。例如，要通過一塊荒無人煙的沼澤地，或者通信必須經(jīng)過山區(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，衛(wèi)星在接收到該信號后，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。用戶的地面設(shè)備包括一個直徑為0.75～2.4m的拋物面天線、接收機(jī)、電纜及網(wǎng)卡等?？梢园岩活w衛(wèi)星看做一個集線器（只是這個集線器距地面大約有36000km），各地面接收站看做結(jié)點，這樣就形成了一個星型網(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。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)天線等硬件的價格占很大比重。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尺寸和信號頻率有關(guān)，微波頻率高、波長短，所以其衰減性還與大氣狀況有關(guān)，大雨或大霧都會影響長距離的微波傳輸。⑥抗干擾性：由于開放電磁傳輸?shù)墓残?，微波系統(tǒng)對外界干擾敏感，在微波系統(tǒng)中常采用數(shù)據(jù)加密技術(shù)來防止竊聽。2．無線電傳輸無線電傳輸采用無線電臺或?qū)ｉT的發(fā)射機(jī)以廣播方式來傳送數(shù)據(jù)。如果電臺功率足夠大，通信距離可達(dá)幾十千米，很適于移動工作站或野外工作站之間的連網(wǎng)，但保密性差。個人通信服務(wù)主要依靠這種方式。無線電頻率分為管制和非管制的兩部分。非管制頻段是開放的，可以隨意使用。管制頻段中包含軍用、警用、醫(yī)用、救生等各種專用頻段，不能隨意使用，必須經(jīng)專門部門審批。這種部門在美國是聯(lián)邦通信委員會（FCC），在中國是國家無線電管理委員會。

無線電傳輸示意圖2-15無線電傳輸示意圖3．紅外傳輸紅外傳輸是以紅外線（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線通信方式。它的成本低廉，但傳輸距離較近。紅外線類似光線，有直線傳輸?shù)男再|(zhì)，不能繞過不透明的物體。但這一點可以通過將紅外線射到墻壁再反射的方法加以解決。另外，紅外線不存在頻率分配的問題，所以沒有必要取得使用許可。在紅外傳輸方式中，按照紅外線是否有方向性可分成兩類：點到點方式（pointtopoint）和廣播方式（broadcast）。點到點方式與廣播方式的紅外傳輸圖2-16點到點方式與廣播方式的紅外傳輸4．激光傳輸紅外線通信和激光通信是把要傳輸?shù)男盘柗謩e轉(zhuǎn)換為紅外光信號和激光信號，直接在空間傳播。紅外傳輸?shù)墓ぷ黝l率為1011～1014Hz，通信時其方向性非常強(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)的相干激光實現(xiàn)通信。激光能直接在空氣中傳輸而不需要通過有形的光導(dǎo)體，并有在很長的距離內(nèi)保持聚焦（即定向）的特點。它和微波在直線傳輸上有相似性，但是和紅外傳輸一樣，不必經(jīng)過政府管理部門授權(quán)分配頻率。激光同樣不能被遮擋，而且對雨、雪和霧都比較敏感，這限制了它的應(yīng)用。有時可用激光傳輸來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（如通過公路），無法輕易地安放纜線時，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)字信號的編碼技術(shù)2.4.1基本調(diào)制技術(shù)模擬信號傳輸?shù)幕A(chǔ)是載波，它是頻率恒定的連續(xù)信號。由于在計算機(jī)遠(yuǎn)程通信線路中不能直接傳送基帶信號，因此，必須用基帶脈沖對載波波形的某個參數(shù)進(jìn)行控制，以形成適合于線路傳送的信號，這稱為調(diào)制。載波信號可以表示為。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，，中的任何一個隨調(diào)制信號發(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)制也稱為幅移鍵控（AmplitudeShiftKeying，ASK），是指用數(shù)字基帶信號控制正弦載波信號的振幅。當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘枮?時，振幅調(diào)制信號的振幅保持某個電平不變，即有載波信號發(fā)射；當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘枮?時，振幅調(diào)制信號的振幅為0，即沒有載波信號發(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)制也稱為頻移鍵控（FrequencyShiftKeying，F(xiàn)SK），是指用數(shù)字基帶信號控制正弦載波信號的頻率f。當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘枮?時，頻率調(diào)制信號的角頻率為，當(dāng)傳輸?shù)幕鶐盘枮?時，頻率調(diào)制信號的角頻率為。圖2-18頻率調(diào)制的波形示意圖3.相位調(diào)制相位調(diào)制也稱為相移鍵控（PhaseShiftKeying，PSK），是指用數(shù)字基帶信號控制正弦載波信號的相位。相位調(diào)制又可以分為絕對相移調(diào)制和相對相移調(diào)制。圖2-19絕對相移調(diào)制的波形示意圖圖2-20相對相移調(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)字基帶信號調(diào)制載波時，可得到多進(jìn)制數(shù)字調(diào)制信號。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，數(shù)字調(diào)制信號為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，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)定的時間間隔內(nèi)，以有效信號f(t)最高頻率的2倍或2倍以上的速率對該信號進(jìn)行采樣，則這些采樣值包含了無混疊而又便于分離的全部原始信號信息，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)。

信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過程信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過程如圖2-23所示，包括采樣、量化和編碼3個步驟，還原過程則包括解碼、逆量化和平滑3個相反的步驟。PCM的原理如圖2-24所示。圖2-23信號數(shù)字化的轉(zhuǎn)換過程圖2-24PCM的原理示意圖2.4.3數(shù)字信號的編碼技術(shù)在數(shù)據(jù)通信中，由DTE產(chǎn)生的數(shù)字信號一般要經(jīng)過編碼才能送入信道。而二進(jìn)制數(shù)字信息在傳輸過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)，人們希望通過同時攜帶多個信號來高效率地使用傳輸介質(zhì)，這稱為多路復(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，每個子頻帶構(gòu)成一個子通道，獨(dú)立地傳輸一路信號。

圖2-27頻分多路復(fù)用2.5.3時分多路復(fù)用若介質(zhì)能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速率超過傳輸所需的數(shù)據(jù)速率，便可以采用時分多路復(fù)用技術(shù)。采用TDM技術(shù)時，將一條傳輸信道按照一定的時間間隔，分割成多條獨(dú)立的、速率較低的傳輸信道。每個時間間隔稱為一個時間片，每個時間片由復(fù)用的一個信號占用，每個信號按時間片輪流交替地使用單一信道，從而使得多個數(shù)字信號在宏觀上同時進(jìn)行傳輸。圖2-28時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用時分多路復(fù)用又分為同步時分多路復(fù)用和異步時分多路復(fù)用。（1）同步時分多路復(fù)用同步時分多路復(fù)用（SynchronousTDM，STDM）將時間片預(yù)先分配給各個信道，并且時間片固定不變，因此各個信道的發(fā)送與接收必須是同步的。（2）異步時分多路復(fù)用異步時分多路復(fù)用（AsynchronousTDM，ATDM）又稱為統(tǒng)計時分多路復(fù)用。ATDM允許動態(tài)地分配使用傳輸介質(zhì)的時間。在ATDM中，時間片是按需動態(tài)分配的，即在輸入端有數(shù)據(jù)要發(fā)送時才分配時間片；并且傳輸介質(zhì)的傳輸帶寬只要不低于各個信道上信號的平均數(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)用最廣泛的時分多路復(fù)用方法是美國AT&T公司的T1載波系統(tǒng)。T1載波系統(tǒng)將24路語音信道復(fù)用在一條通信線路上。每路音頻模擬信號在送到多路復(fù)用器之前，要通過一個PCM編碼器，編碼器每秒采樣8000次。24路PCM信號的每一路輪流將一個字節(jié)插入到幀中，每個字節(jié)的長度為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。也就是說，在不同信道的信號采用不同頻率的光載波，多路光信號通過光學(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)用來獲得每一信道的信號。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)目的點后，再經(jīng)過棱鏡（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)也稱為碼分多址（CDMA）技術(shù)，是用于移動通信、無線計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及移動性計算機(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)