2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義1物理層2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第2頁主要內(nèi)容基本概念物理層的任務(wù)通訊系統(tǒng)基礎(chǔ)兩個公式傳輸媒體物理設(shè)備2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第3頁物理層的主要任務(wù)將原始的bit流從一臺機器上傳輸?shù)搅硪慌_機器上確定與傳輸媒體的接口特性機械特性電氣特性功能特性規(guī)程特性2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第4頁通信基礎(chǔ)傅立葉變換法國數(shù)學(xué)家傅里葉發(fā)現(xiàn)，任何周期函數(shù)都可以用正弦函數(shù)和余弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)來表示

2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第5頁函數(shù)展開成傅立葉級數(shù)若周期為的周期函數(shù)滿足條件(1)在區(qū)間連續(xù)或只有有限個第一類間斷點；(2)在區(qū)間只有有限個極值點，則函數(shù)可展開成傅立葉級數(shù)例如：2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第6頁如圖所示的四個圖形為取三角函數(shù)級數(shù)的前1，2，3，6項所得到的曲線與矩形波的逼近程度．

(a)

(b)(c)(d)2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第7頁由于信號在傳輸過程中會損失一些能量，引起增幅的減小，但是線路對于不同的傅立葉分量的衰減不同，因此疊加之后的信號出現(xiàn)了變形。2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第8頁2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第9頁因此即使是在無噪音（干擾）的情況下，由于信號的衰減，一條信道的傳輸率也是有一定范圍的，奈奎斯特定理描述了這一情況。香農(nóng)進(jìn)一步研究了在有噪音的情況下信道的最大傳輸率問題。2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第10頁基本概念信道(Channel)

：向某一個方向傳輸信息的媒體。信號（Signal）：數(shù)據(jù)的電氣的或者電磁的表現(xiàn)。帶寬：帶寬通常指信號所占據(jù)的頻帶寬度；在被用來描述信道時，帶寬是指能夠有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度。對于模擬信號而言，帶寬又稱為頻寬，以赫茲（Hz）為單位。碼元(CodeCell)：時間軸上的一個信號編碼單元波特（Baud）：碼元傳輸速率的單位比特率(BitRate)：數(shù)據(jù)傳輸速率(bps，b/s)2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第11頁●通信系統(tǒng)模型通信的三個要素：信源、信宿和信道任何一個通信系統(tǒng)都可以抽象為以下模型：噪聲信源編碼調(diào)制信道解調(diào)解碼信宿編碼器：數(shù)據(jù)

適合傳輸?shù)男盘枴阌谧R別、糾錯調(diào)制器：信號

適合傳輸?shù)男问健搭l率、幅度、相位解碼器：傳輸信號

原始數(shù)據(jù)解調(diào)器：接收波形

數(shù)字信號序列基本概念－通訊系統(tǒng)基礎(chǔ)2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第12頁基本概念信源：產(chǎn)生要傳輸數(shù)據(jù)的設(shè)備；信宿：從接收器獲取傳送來的信息的設(shè)備：調(diào)制、解調(diào)將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程稱之為調(diào)制；有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相三種基本方式。將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的過程稱之為解調(diào)；2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第13頁編碼曼切斯特編碼和差分曼切斯特編碼出現(xiàn)連續(xù)的1/0時如何區(qū)分？曼切斯特編碼利用跳變來表示1/0差分曼切斯特編碼--前半個碼元的電平與前一個碼元的后半個碼元電平一樣為1，反之為0。2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第14頁2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第15頁信息→數(shù)據(jù)→信號→在介質(zhì)上傳輸→信號→數(shù)據(jù)→信息通信系統(tǒng)的任務(wù)信息通過通信系統(tǒng)傳輸

把攜帶信息的數(shù)據(jù)用物理信號形式通過介質(zhì)傳送到目的地。

信息和數(shù)據(jù)（0、1比特）不能直接在介質(zhì)上傳輸?；靖拍睿ㄓ嵪到y(tǒng)基礎(chǔ)2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第16頁M最大數(shù)據(jù)率

(C)26000bps412000bps818000bps1624000bps3230000bps6436000bpsC=2Wlog2MC=傳輸率，單位b/s或bpsW=帶寬，單位HzM=信號電平級數(shù)例如：話音級線路(3000Hz)的信道容量計算，如右圖所示。Nyquist公式為估算已知帶寬信道的最高速率提供了依據(jù)。計算信道最大數(shù)據(jù)傳輸率

－尼奎斯特(Nyquist)公式：用于理想低通信道基本概念－兩個公式2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第17頁實際的信道上存在三類損耗：衰減、延遲、噪聲。a）衰減

信道的損耗引起信號強度減弱，導(dǎo)致信噪比S/N降低。b）延遲信號中的各種頻率成分在信道上的延遲時間各不相同，在接收端會產(chǎn)生信號畸變。c）噪聲

熱噪聲：由導(dǎo)體內(nèi)的熱擾動引起，又稱為白噪聲。

串?dāng)_：信道間產(chǎn)生的不必要的耦合。例：多對雙絞線

脈沖噪聲：非連續(xù)、隨機、振幅較大。多由外部電磁干擾造成（閃電、大功率電機啟動等）。噪聲將破壞信號，產(chǎn)生誤碼。持續(xù)時間0.01s的干擾可以破壞約560個比特（56Kbps）。基本概念－兩個公式2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第18頁非理想信道傳輸率計算公式

－香農(nóng)(Shannel)公式S/NdB

信噪比（dB分貝）的定義C=Wlog2(1+SN)S/NdB=10log10S/N例：信道帶寬W=3KHz，信噪比為30dB，則

C=3000*log2(1+1000)≈30KbpsC=傳輸率，單位b/sW=帶寬，單位Hz

即：基本概念－兩個公式2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第19頁Nyquist公式和Shannel公式的比較●C=2Wlog2M

此公式說明數(shù)據(jù)傳輸率C隨信號編碼級數(shù)增加而增加。●C=Wlog2(1+S/N)

無論采樣頻率多高，信號編碼分多少級，此公式給出了信道能達(dá)到的最高傳輸速率。原因：噪聲的存在將使編碼級數(shù)不可能無限增加?；靖拍睿瓋蓚€公式2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第20頁本章重點基本概念物理層的任務(wù)通訊系統(tǒng)基礎(chǔ)兩個公式傳輸媒體物理設(shè)備傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第21頁傳輸媒體(介質(zhì))磁介質(zhì)

高帶寬、低費用、高延時（小時）例：7GB/8mm，1000盤/50*50*50cm，24h可送到任何地方?？?cè)萘?7*1000*8Gbits，總時間=24*60*60=86400s

傳送速率=56000Gb/86400s=648Mb/s金屬導(dǎo)體雙絞線、

同軸電纜(粗、細(xì))光纖無線介質(zhì)無線電、短波、微波、衛(wèi)星、光波傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第22頁●雙絞線內(nèi)導(dǎo)體芯線絕緣箔屏蔽銅屏蔽外套--螺旋絞合的雙導(dǎo)線，

≈1mm--每根4對、25對、1800對--典型連接距離100m（LAN）--RJ45插座、插頭--優(yōu)缺點：成本低密度高、節(jié)省空間安裝容易（綜合布線系統(tǒng)）平衡傳輸（高速率）抗干擾性一般連接距離較短傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第23頁屏蔽雙絞線(STP)&非屏蔽雙絞線(UTP)以鋁箔屏蔽以減少

干擾和串音3類、5類、6類（16M、155M、1200M）雙絞線外沒有任何附加屏蔽傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第24頁RJ-45接口由金屬片和塑料構(gòu)成，特別需要注意的是引腳序號，當(dāng)金屬片面對我們的時候從左至右引腳序號是1～8雙絞線的制作2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第25頁EIA/TIA的布線標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了兩種雙絞線的線序568A與568B。標(biāo)準(zhǔn)568B： 橙白--1，橙--2，綠白--3，藍(lán)--4，藍(lán)白--5，綠--6，棕白--7，棕--8；標(biāo)準(zhǔn)568A： 綠白--1，綠--2，橙白--3，藍(lán)--4，藍(lán)白--5，橙--6，棕白--7，棕--8。直通線：兩頭都按T568B線序標(biāo)準(zhǔn)連接。交叉線：一頭按T568A線序連接，一頭按T568B線序連接。2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第26頁●同軸電纜基帶同軸電纜

一條電纜只用于一個信道，50

，用于數(shù)字傳輸寬帶同軸電纜

一條電纜同時傳輸不同頻率的多路模擬信號，75

，用于模擬傳輸，300—450MHz，100km，需要放大器

銅芯絕緣層外導(dǎo)體屏蔽層保護(hù)套傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第27頁

細(xì)同軸

--50

，D=1.02cm，10Mbps

--185m、4中繼、5段（925m）

--優(yōu)缺點：價格低 安裝方便（T型連接器、BNC接頭、Terminator）

抗干擾能力強 距離短 可靠性差

粗同軸

--50

，D=2.54cm，10Mbps--500m、4中繼、5段（2500m）

--優(yōu)缺點：價格稍高 安裝方便（收發(fā)器、收發(fā)器電纜、Terminator）

抗干擾能力強 距離中等

可靠性好

傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第28頁光纖依靠光波承載信息速率高，通信容量大

僅受光電轉(zhuǎn)換器件的限制（＞100Gb/s）傳輸損耗小，適合長距離傳輸抗干擾性能極好，保密性好輕便傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第29頁光纖傳輸原理——利用了光的反射

光從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時會產(chǎn)生折射。折射量取決于兩種介質(zhì)的折射率。當(dāng)入射角≥臨界值時產(chǎn)生全反射，不會泄漏。

光纖：纖芯-折射率高、玻璃包層-折射率低

亮度調(diào)制，有脈沖-1，無脈沖-0

光傳輸系統(tǒng)：光源、介質(zhì)、光檢測器 光源:850nm/1300nm/1500nm

發(fā)光二極管/激光二極管

介質(zhì):光纖 光檢測器:光電二極管PIN/雪崩二極管APD

單向傳輸，雙向需兩根光纖傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第30頁光纖目前數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽簡文９饫w：是指的在某一特定的角度、在同一時刻所進(jìn)入光纖的光束，只能有一束，且光束不能發(fā)散；因此單模光纖的光源采用的是激光。多模光纖：是指的在某一特定的角度、在同一時刻所進(jìn)入光纖的光束，可為多束；因此多模光纖的光源采用的是發(fā)光二極管（LED）傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第31頁

多模MMF

輸入電信號輸出電信號單模SMF

波長:1300,1550nm波長

:850,1300nmh2h1芯/封套特性h1h2光纖的直徑減小到一個光波波長多束光線以不同的反射角傳播單束光線沿直線傳播傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第32頁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常見規(guī)格：玻璃內(nèi)芯——50um緩變型MMF 62.5um緩變/增強型MMF 8.3um突變型SMF

玻璃包層——125um傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第33頁●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傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第34頁光纖目前數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽篎DDI當(dāng)時規(guī)定的傳輸速率為100Mb/s，目前以上升到1000Mb/s、10Gb/s它的段長的最大距離目前可達(dá)到200Km，甚至還可以再長，這主要取決與光纜終端設(shè)備（光纖收發(fā)器）。它的最大段數(shù)目前可達(dá)一千多段（無限）傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第35頁●無線介質(zhì)使用電磁波或光波攜帶信息無需物理連接適用于長距離或不便布線的場合易受干擾保密性差傳輸媒體2025/4/7計算機網(wǎng)絡(luò)講義第36頁無線電固定終端點（基站）和終端之間是無線鏈路BS基站

用戶計算機和終端BS基站覆蓋的無線電區(qū)域F2F3F1F2F3F1F2F3F