計算機網絡CH2 物理層

計算機網絡與通信物理層第2章物理層2.1物理層的基本概念2.2數據通信的基礎知識

2.2.1數據通信系統的模型

2.2.2有關信道的幾個基本概念

2.2.3信道的極限容量

2.2.4信道的極限信息傳輸速率2.3物理層下面的傳輸媒體

2.3.1導向傳輸媒體

2.3.2非導向傳輸媒體第2章物理層（續）2.4信道復用技術

2.4.1頻分復用、時分復用和統計時分復用

2.4.2波分復用

2.4.3碼分復用2.5局域異步通信2.1物理層的基本概念物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：機械特性指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、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的電壓的范圍。功能特性指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。過程特性指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。2.2數據通信的基礎知識

2.2.1數據通信系統的模型

傳輸系統輸入信息輸入數據發送的信號接收的信號輸出數據源點終點發送器接收器調制解調器PC機公用電話網調制解調器數字比特流數字比特流模擬信號模擬信號輸入漢字顯示漢字數據通信系統源系統目的系統傳輸系統輸出信息PC機幾個術語數據(data)——運送消息的實體。信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現。“模擬的”(analogous)——代表消息的參數的取值是連續的?！皵底值摹?digital)——代表消息的參數的取值是離散的。碼元(code)——在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。

2.2.2有關信號的幾個基本概念單向通信（單工通信）——只能有一個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送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)。雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發送和接收信息?；鶐?baseband)信號和

帶通(bandpass)信號基帶信號（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據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制(modulation)。帶通信號——把基帶信號經過載波調制后，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能夠通過信道）。幾種最基本的調制方法基帶信號往往包含有較多的低頻成分，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。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調制(modulation)。最基本的二元制調制方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。

對基帶數字信號的幾種調制方法010011100基帶信號調幅調頻調相正交振幅調制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于一種4bit的編碼。若每一個碼元可表示的比特數越多，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態就越困難。舉例2.2.3信道的極限容量任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。數字信號通過實際的信道有失真，但可識別失真大，無法識別實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）發送信號波形接收信號波形發送信號波形實際的信道（帶寬受限、有噪聲、干擾和失真）接收信號波形信道能夠通過的頻率范圍1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，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碼間串擾。(2)信噪比香農(Shannon)用信息論的理論推導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可表達為

C=Wlog2(1+S/N)b/s

W為信道的帶寬（以Hz為單位）；S為信道內所傳信號的平均功率；N為信道內部的高斯噪聲功率。

香農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無差錯的傳輸。若信道帶寬

W

或信噪比

S/N

沒有上限（當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。實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農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。2.3物理層下面的傳輸媒體無線電微波紅外線可見光紫外線X射線射線雙絞線同軸電纜衛星地面微波調幅無線電調頻無線電海事無線電光纖電視(Hz)f(Hz)fLFMFHFVHFUHFSHFEHFTHF波段104105106107108109101010111012101310141015101610010210410610810101012101410161018102010221024移動無線電電信領域使用的電磁波的頻譜2.3.1導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體屏蔽層絕緣層絕緣保護套層內導體無屏蔽雙絞線UTP屏蔽雙絞線STP同軸電纜光線在光纖中的折射折射角入射角包層（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)光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射輸入脈沖輸出脈沖單模光纖多模光纖與單模光纖輸入脈沖輸出脈沖多模光纖光纖和同軸電纜的比較光纖與同軸電纜相比有許多優點： 帶寬范圍大 傳輸距離遠，信號損失小，50km一個中繼器，5km一個 光纖不受電源、電磁干擾和空氣中腐蝕物質的影響，也不會對環境產生電磁干擾。 光纖非常細，對大規模鋪設非常有用。也有缺點： 光纖抽頭拼接都比較困難 很難確定斷裂位置2.3.2非導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量較差。微波在空間主要是直線傳播。地面微波接力通信衛星通信

共享信道2.4信道復用技術

2.4.1頻分復用、時分復用和統計時分復用

復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。信道A1A2B1B2C1C2信道信道A1A2B1B2C1C2復用分用(a)不使用復用技術(b)使用復用技術頻分復用FDM

(FrequencyDivisionMultiplexing)用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。頻率時間頻率1頻率2頻率3頻率4頻率5時分復用TDM

(TimeDivisionMultiplexing)時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度）。TDM信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。時分復用頻率時間BCDBCDBCDBCDAAAAA在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間CDCDCDAAAABBBBCDB在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BDBDBDAAAABCCCCDC在

TDM

幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用頻率時間BCBCBCAAAABCDDDDD在TDM幀中的位置不變TDM幀TDM幀TDM幀TDM幀…TDM幀時分復用可能會造成

線路資源的浪費ABCDaabbcdbcattttt4個時分復用幀#1④③②①acbcd時分復用#2#3#4用戶使用時分復用系統傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。統計時分復用

STDM

(StatisticTDM)用戶ABCDabcdttttt3個STDM幀#1④③②①acbabbcacd#2#3統計時分復用

1550nm01551nm11552nm21553nm31554nm41555nm51556nm61557nm701550nm11551nm21552nm31553nm41554nm51555nm61556nm71557nm2.4.2波分復用WDM

(WavelengthDivisionMultiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。82.5Gb/s1310nm20Gb/s復用器分用器EDFA120km光調制器光解調器2.4.3碼分復用CDM

(CodeDivisionMultiplexing)

常用的名詞是碼分多址

CDMA(CodeDivisionMultipleAccess)。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。

碼片序列(chipsequence)每個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。如發送比特1，則發送自己的mbit碼片序列。如發送比特0，則發送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S站的8bit碼片序列是00011011。發送比特1時，就發送序列00011011，發送比特0時，就發送序列11100100。S站的碼片序列：(–1–1–1+1+1–1+1+1)CDMA的重要特點每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交(orthogonal)。在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。碼片序列的正交關系令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化內積(innerproduct)都是0：(2-3)碼片序列的正交關系舉例令向量S為(–1–1–1+1+1–1+1+1)，向量T為(–1–1+1–1+1+1

+1–1)。把向量S和T的各分量值代入(2-3)式就可看出這兩個碼片序列是正交的。任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是–1。正交關系的另一個重要特性CDMA的工作原理S站的碼片序列S110ttttttm

個碼片tS站發送的信號SxT站發送的信號Tx總的發送信號Sx+Tx規格化內積S

Sx規格化內積S

Tx數據碼元比特發送端接收端2.5局域異步通信

2.5.1傳輸方式串行通信&并行通信并行通信發送端同時傳輸多位數據到接收端

特點：并行通信傳輸數據速率高，距離近時，一般采用并行通信串行通信將發送端的數據一位一位的按順序傳輸到接收端

特點：可以傳輸較遠距離

同步通信&異步通信數據通信可分為同步通信和異步通信兩大類：同步通信要求接收端時鐘頻率和發送端時鐘頻率一致。發送端發送連續的比特流。異步通信時不要求接收端時鐘和發送端時鐘同步。發送端發送完一個字節后，可經過任意長的時間間隔再發送下一個字節。

異步通信1異步通信2同步通信同步通信vs

異步通信異步通信的通信開銷較大，但接收端可使用廉價的、具有一般精度的時鐘來進行數據通信。同步通信：時鐘保持一致2.5.2RS-232傳輸類別介質–銅線傳輸形式–電流編碼–負電壓表示比特1–正電壓表示比特0波形圖RS-232標準應用于–鍵盤、鼠標與PC機的連接–調制解調等串口連接由EIA制定連線必須在50英尺內電壓：+15—-15功能特性：1，0屬于串行異步傳輸的特點RS-232——異步通信發送方和接收方統一–每個字符用多少位表示–每一位的持續時間接收方–不知道何時接收–可能會一直等待為了確保通信–傳輸字符前的起始位–傳輸字符后的終止位RS-232空閑狀態——1起始位–0–不是數據的內容終止位–1