主要內(nèi)容物理層的基本概念數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識物理層下面的傳輸媒體模擬傳輸與數(shù)字傳輸信道復(fù)用技術(shù)物理層標(biāo)準(zhǔn)舉例寬帶接入技術(shù)1、物理層的基本概念1.1物理層的概念物理層：對如何在連接的各種傳輸媒體上傳輸比特流進行規(guī)范。物理層的任務(wù)：確定與傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性。1.2計算機網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)速率帶寬時延吞吐量時延帶寬積利用率1）

帶寬數(shù)字信道所能傳送的“最高數(shù)據(jù)率”

單位：“比特每秒”，或b/s(bit/s)。每秒

106

個比特時間1

01

0

111s帶寬為1Mb/s時間每秒

4

106

個比特0.25s帶寬為4Mb/sABAB寬帶線路窄帶線路數(shù)據(jù)串行發(fā)送寬帶線路：每秒有更多比特注入到線路。寬帶與窄帶2）

時延(delay或latency)發(fā)送時延：發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)塊從結(jié)點進入到傳輸媒體所需要的時間。傳播時延：電磁波在信道中需要傳播一定的距離而花費的時間。發(fā)送時延=數(shù)據(jù)塊長度（比特）信道帶寬（比特/秒）傳播時延=信道長度（米）信號在信道上的傳播速率（米/秒）其他時延處理時延：交換結(jié)點為存儲轉(zhuǎn)發(fā)而進行一些必要的處理所花費的時間。排隊時延：結(jié)點緩存隊列中分組排隊所經(jīng)歷的時延。排隊時延的長短往往取決于網(wǎng)絡(luò)中當(dāng)時的通信量?？倳r延=發(fā)送時延+傳播時延+處理時延+排隊時延四種時延所產(chǎn)生的地方1011001…發(fā)送器隊列在鏈路上產(chǎn)生傳播時延結(jié)點

B結(jié)點

A在發(fā)送器產(chǎn)生傳輸時延(即發(fā)送時延)在結(jié)點

A中產(chǎn)生處理時延和排隊時延數(shù)據(jù)從結(jié)點A向結(jié)點B發(fā)送數(shù)據(jù)鏈路3）時延帶寬積鏈路的時延帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。（傳播）時延鏈路帶寬時延帶寬積=傳播時延帶寬時延帶寬積4）利用率信道利用率指出某信道有百分之幾的時間是被利用的（有數(shù)據(jù)通過）。完全空閑的信道的利用率是零。網(wǎng)絡(luò)利用率則是全網(wǎng)絡(luò)的信道利用率的加權(quán)平均值。信道利用率并非越高越好。時延與網(wǎng)絡(luò)利用率的關(guān)系其中：D：網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的時延U：網(wǎng)絡(luò)的利用率（0

<U<1）D0：網(wǎng)絡(luò)空閑時的時延2數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

調(diào)制解調(diào)器PC機計算機網(wǎng)絡(luò)調(diào)制解調(diào)器數(shù)據(jù)信號信號信息信息數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)源系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)PC機數(shù)據(jù)信道：信號的傳輸媒介，它是傳輸信號的路徑。信源：信息的來源，或是發(fā)送數(shù)據(jù)的地方信宿：信息的歸宿，或是接收數(shù)據(jù)的地方數(shù)據(jù)(data)：運送消息的實體。信號(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。數(shù)字的(digital)：代表消息的參數(shù)的取值是離散的。碼元(code)：在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。一些概念模擬信號和數(shù)字信號

tta)模擬信號b)數(shù)字信號一些概念（續(xù)1）單工通信（單向通信）：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。半雙工通信（雙向交替通信）：通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時接收)。全雙工通信（雙向同時通信）：通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。一些概念（續(xù)2）基帶信號（即基本頻帶信號）來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號?；鶐盘柾休^多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進行調(diào)制(modulation)。帶通信號把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號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）。最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：調(diào)幅(AM)載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。調(diào)頻(FM)載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。調(diào)相(PM)載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。線路編碼技術(shù)

基帶數(shù)字信號曼徹斯特編碼

碼元1111100000出現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換802.3標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)使用差分曼徹斯特編碼。差分：遇1跳變，遇0不變。正交振幅調(diào)制QAM

(QuadratureAmplitudeModulation)

r(r,)可供選擇的相位有12種，而對于每一種相位有1

或2種振幅可供選擇。由于4bit編碼共有16種不同的組合，因此這16個點中的每個點可對應(yīng)于一種4bit的編碼。若每一個碼元可表示的比特數(shù)越多，則在接收端進行解調(diào)時要正確識別每一種狀態(tài)就越困難。二維信號星圖12數(shù)據(jù)傳輸方式基帶傳輸：不調(diào)制，編碼后的數(shù)字脈沖信號直接在信道上傳送。例如：以太網(wǎng)頻帶傳輸：調(diào)制成模擬信號后再傳送，接收方需要解調(diào)。例如：通過模擬信道傳輸寬帶傳輸：指比音頻更寬的頻帶,包括大部分電磁波頻譜數(shù)據(jù)和信號的轉(zhuǎn)換

模擬數(shù)據(jù)模擬信號放大器調(diào)制器模擬數(shù)據(jù)數(shù)字信號

PCM編碼器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)模擬信號調(diào)制器數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)數(shù)字信號數(shù)字發(fā)送器失真現(xiàn)象任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。碼元傳輸?shù)乃俾试礁撸蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。失真現(xiàn)象實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸入信號波形輸出信號波形(失真不嚴(yán)重)輸入信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）輸出信號波形(失真嚴(yán)重)信道能夠通過的頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，否則就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，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。只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現(xiàn)無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當(dāng)然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率

C

也就沒有上限。實際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。請注意對于頻帶寬度已確定的信道，如果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，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。信道的極限信息傳輸速率源系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)目的系統(tǒng)傳輸系統(tǒng)源點終點發(fā)送器接收器輸入信息輸出信息輸入數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)發(fā)送的信號接收的信號碼元傳輸速率受奈氏準(zhǔn)則的限制信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制3傳輸媒體電磁波的頻譜3.1導(dǎo)向傳輸媒體1）雙絞線由一對直徑為1mm的絕緣銅線纏繞而成。減少線間的電磁干擾。有屏蔽與非屏蔽之分，均為8芯電纜雙絞線的類型由單位長度內(nèi)的絞環(huán)數(shù)確定。Category3UTPCategory5UTP網(wǎng)線接法直通纜（標(biāo)準(zhǔn)568B）：兩端線序一樣白橙，橙，白綠，藍(lán)，白藍(lán)，綠，白棕，棕。交叉纜（標(biāo)準(zhǔn)568A）：一端為直通纜的線序，另一端為：白綠，綠，白橙，藍(lán)，白藍(lán)，橙，白棕，棕。接線的一般規(guī)則同種類型設(shè)備之間使用交叉線連接，不同類型設(shè)備之間使用直通線連接；路由器和PC屬于DTE類型設(shè)備，交換機和HUB屬于DCE類型設(shè)備；直通線用于連接:主機和switch/hub;route交叉線用于連接:PC-PCHUB-HUB普通口HUB-HUB級連口-級連口HUB-SWITCH

DTE;"DataTerminalEquipment（數(shù)據(jù)終端設(shè)備）"的首字母縮略詞，具有一定的數(shù)據(jù)處理能力和數(shù)據(jù)收發(fā)能力的設(shè)備。DCE是DataCommunicationsEquipment(數(shù)據(jù)通信設(shè)備)的首字母縮略詞，它在DTE和傳輸線路之間提供信號變換和編碼功能，并負(fù)責(zé)建立、保持和釋放鏈路的連接2）同軸電纜10base5粗同軸電纜10base2細(xì)同軸電纜同軸電纜的主要特性1.優(yōu)點傳輸距離較遠(yuǎn)，覆蓋的地域范圍較大技術(shù)非常成熟2.缺點電纜硬，折曲困難，重量重3.局域網(wǎng)常用同軸電纜粗同軸電纜：特征阻抗50Ω，直徑1cm細(xì)同軸電纜：特征阻抗50Ω，直徑0.5cm4.同軸電纜不適合用于樓宇內(nèi)的結(jié)構(gòu)化布線各種電纜線

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保護套層內(nèi)導(dǎo)體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜3）

光纖折射角入射角包層（低折射率的媒體）包層（低折射率的媒體）纖芯（高折射率的媒體）包層纖芯光線在纖芯中傳輸?shù)姆绞绞遣粩嗟厝瓷涔饫w工作原理輸入脈沖輸出脈沖單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖光纜類別玻璃封套塑料外套玻璃內(nèi)芯單芯光纜多芯光纜玻璃內(nèi)芯塑料外套玻璃封套外殼高密度多芯光纜剖面結(jié)構(gòu)芯封套外套加強芯光纖外鞘加強芯光纖束3.2非導(dǎo)向傳輸媒體無線傳輸所使用的頻段很廣。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

ISM（IndustrialScientific和Medical）工科醫(yī)頻段1）地面微波接力通信兩個地面站之間傳送距離：50-100km地球地面站之間的直視線路微波傳送塔2）地球同步衛(wèi)星與地面站相對固定位置使用3個衛(wèi)星就能覆蓋全球傳輸延遲時間長22,300公里地球4、信道復(fù)用技術(shù)4.1頻分復(fù)用

（Frequency-DivisionMultiplexing，F(xiàn)DM）所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率54.2時分復(fù)用

（Time-DivisionMultiplexing，TDM）所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀4.2時分復(fù)用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀4.2時分復(fù)用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCD在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀4.2時分復(fù)用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復(fù)用帶來的浪費ABCDaabbcdbcattttt4個時分復(fù)用幀#1④③②①acbcd時分復(fù)用#2#3#4用戶4.3統(tǒng)計時分復(fù)用用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統(tǒng)計時分復(fù)用4.4波分復(fù)用

（Wave-DivisionMultiplexing，WDM）波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用.

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm82.5Gb/s1310nm20Gb/s復(fù)用器分用器EDFA120km光調(diào)制器光解調(diào)器4.5碼分復(fù)用

（Code-DivisionMultiplexing，CDM）常用的名詞是碼分多址CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。5數(shù)字傳輸系統(tǒng)5.1

脈碼調(diào)制

（Pulse-codemodulation，PCM）

脈碼調(diào)制PCM體制最初是為了在局之間的中繼線上傳送多路的。由于歷史上的原因，PCM有兩個互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的24路PCM（簡稱為T1）和歐洲的30路PCM（簡稱為E1）。我國采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn)。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。當(dāng)需要有更高的數(shù)據(jù)率時，可采用復(fù)用的方法。5.2.同步光纖網(wǎng)SONET和同步數(shù)字系列SDH舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點。其中最主要的是以下兩個方面：速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一。如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進行標(biāo)準(zhǔn)化，國際范圍的高速數(shù)據(jù)傳輸就很難實現(xiàn)。不是同步傳輸。在過去相當(dāng)長的時間，為了節(jié)約經(jīng)費，各國的數(shù)字網(wǎng)主要是采用準(zhǔn)同步方式。同步光纖網(wǎng)SONET同步光纖網(wǎng)SONET(SynchronousOpticalNetwork)的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。第1級同步傳送信號STS-1(SynchronousTransportSignal)的傳輸速率是51.84Mb/s。光信號則稱為第1級光載波OC-1，OC表示OpticalCarrier。

同步數(shù)字系列SDHITU-T以美國標(biāo)準(zhǔn)SONET為基礎(chǔ)，制訂出國際標(biāo)準(zhǔn)同步數(shù)字系列SDH(SynchronousDigitalHierarchy)。一般可認(rèn)為SDH與SONET是同義詞。SDH的基本速率為155.52Mb/s，稱為第1級同步傳遞模塊(SynchronousTransferModule)，即STM-1，相當(dāng)于SONET體系中的OC-3速率。線路速率(Mb/s)SONET符號ITU-T符號表示線路速率的常用近似值51.840OC-1/STS-1155.520OC-3/STS-3STM-1155Mb/s466.560OC-9/STS-9STM-3622.080OC-12/STS-12STM-4622Mb/s933.120OC-18/STS-18STM-61244.160OC-24/STS-24STM-82488.320OC-48/STS-48STM-162.5Gb/s4976.640OC-96/STS-96STM-329953.280OC-192/STS-192STM-6410Gb/s39813.120

OC-768/STS-768

STM-256

40Gb/s

SONET的OC級/STS級與SDH的STM級的對應(yīng)關(guān)系SONET標(biāo)準(zhǔn)定義了

四個光接口層光子層(PhotonicLayer)處理跨越光纜的比特傳送。段層(SectionLayer)在光纜上傳送STS-N幀。線路層(LineLayer)負(fù)責(zé)路徑層的同步和復(fù)用。路徑層(PathLayer)處理路徑端接設(shè)備PTE(PathTerminatingElement)之間的業(yè)務(wù)的傳輸。

SONET的體系結(jié)構(gòu)光子層路徑層線路層段層線路(line)光子層路徑層線路層段層光子層線路層段層光子層段層光子層線路層段層光子層段層SDH終端SDH終端復(fù)用器或分用器復(fù)用器或分用器轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)器段段段路徑(path)(section)(section)(section)6、寬帶接入技術(shù)6.1xDSL技術(shù)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)字用戶線上實現(xiàn)的不同寬帶方案。xDSL技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。把0－4kHz低端頻譜留給傳統(tǒng)使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。xDSL的幾種類型ADSL(AsymmetricDigitalSubscriberLine)：非對稱數(shù)字用戶線HDSL(HighspeedDSL)：高速數(shù)字用戶線SDSL(Single-lineDSL)：1對線的數(shù)字用戶線VDSL(VeryhighspeedDSL)：甚高速數(shù)字用戶線DSL：ISDN用戶線。RADSL(Rate-AdaptiveDSL)：速率自適應(yīng)DSL，是ADSL的一個子集，可自動調(diào)節(jié)線路速率）。ADSL的極限傳輸距離ADSL的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。例如，0.5毫米線徑的用戶線，傳輸速率為1.5~2.0Mb/s時可傳送5.5公里，但當(dāng)傳輸速率提高到6.1Mb/s時，傳輸距離就縮短為3.7公里。如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里ADSL的特點上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到ISP，而下行指從ISP到用戶。ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個ADSL調(diào)制解調(diào)器。我國目前采用的方案是離散多音調(diào)DMT(DiscreteMulti-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。DMT技術(shù)DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而249個子信道用于下行信道。每個子信道占據(jù)4kHz帶寬（嚴(yán)格講是4.3125kHz），并使用不同的載波（即不