1. 第3章 物理层 • 本章内容 3.1 物理层的基本概念 3.2 数据通信的基础知识 3.3 传输媒体 3.4 模拟传输与数字传输 3.5 信道复用技术 3.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH 3.7 物理层标准举例 • 本章重点 • 数据通信基础知识 • 常见的传输媒体 • 模拟传输与数字传输 • 信道复用技术 计算机工程学院 伍俊明

2. 第3章 物理层 思考题： • 物理层的任务是什么？ • 网络中常用的传输媒体有哪些？ • 媒体中数据传输速率取决于哪些因素？ • 模拟信道为何能传送数字数据？ • 为什么一些传输媒体能同时传送多道信号? 计算机工程学院 伍俊明

3. 3.1 物理层的基本概念 • 物理层考虑的是如何在连接计算机等各种网络设备的传输媒体中传输数据的比特流。由于连接网络设备的传输媒体多种多样，因此，物理层应尽可能地屏蔽各种媒体之间的差异，使其上面的数据链路层感觉不到这些差异。 • ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的。 计算机工程学院 伍俊明

4. 3.1 物理层的基本概念 • 几点说明 • 连接方式（点到点，点到多点） • 通信方式（单工，半双工，全双工） • 位传输方式（串行——网络中采用串行方式，并行） • 物理层的四个重要特性 • 机械特性：主要定义物理连接的接插装置的形状和尺寸、引脚数量和排列、固定和锁定装置等等。 • 电气特性 ：规定传输二进制位时，线路上信号的电压高低范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制。 • 功能特性 ：主要定义各条物理线路的功能（如某一电平表示何种意义）。 • 规程特性 ：主要定义各条物理线路的工作规程和事件的时序关系。 计算机工程学院 伍俊明

5. 3.2 数据通信基础知识 3.2.1 数据通信系统的模型 • 数据、信息与信号 • 数据：传递(携带)信息的实体，它涉及到事物的具体形式。数据可分为数字数据和模拟数据。 • 数字数据是离散的值。 • 模拟数据是在某个区间内连续的值。 • 信息(Information)：是数据的内容或解释。 • 信号：数据的电磁或电子编码，它使数据以适当的形式在介质上传输。按其编码机制信号也可分为模拟信号和数字信号两种。 • 模拟信号是连续变化的电磁波。 • 数字信号是一系列的电脉冲 方波。 计算机工程学院 伍俊明

6. 3.2 数据通信基础知识 • 模拟信号与数字信号 计算机工程学院 伍俊明

7. 数据通信系统 源系统 传输系统 目的系统 传输 系统 源点 接收器 发送器 终点 输入数据 接收 的信号 输入信息 发送 的信号 输出数据 输出信息 3.2 数据通信基础知识 • 数据通信系统的模型：源系统、传输系统、目的系统 数字比特流 模拟信号 模拟信号 数字比特流 正文 正文 公用电话网 调制解调器 调制解调器 PC 机 PC 机 计算机工程学院 伍俊明

8. 信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息信息→数据→信号→在信道上传输→信号→数据→信息 数据编码 调制 解调 数据解码 3.2 数据通信基础知识 • 信息通过数据通信系统传输 • 把携带信息的数据用物理信号形式通过信道传送到目的地。 • 信息和数据(0,1比特)一般不能直接在介质上传输。 • 编码：数据适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错 • 调制：数字信号适合传输的形式——按频率、幅度、相位 • 解调：接收波形数字信号 • 解码：数字信号原始数据 计算机工程学院 伍俊明

9. 放大器 调制器 模拟数据 模拟信号 数字数据 调制器 模拟信号 3.2 数据通信基础知识 • 数字数据和模拟数据都可以通过模拟信号传输。 • 模拟传输： • 模拟数据、模拟信号：如早期的电话系统； • 数字数据、模拟传输：需要调制。 计算机工程学院 伍俊明

10. PCM 编码器 模拟数据 数字信号 数字 发送器 数字数据 数字信号 3.2 数据通信基础知识 • 数字数据和模拟数据也都可以通过数字信号传输 • 数字数据、数字信号：可直接传输； • 模拟数据、数字信号：先将模拟数据数字化 计算机工程学院 伍俊明

11. 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输入信号波形 输出信号波形 (失真严重) 3.2 数据通信基础知识 3.2.2 信道 • 信道：信号传递的通路。它建立在传输介质之上，包含传输媒介和必要的设备。同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一路信号通过。 • 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 输入信号波形 输出信号波形 (失真不严重) 计算机工程学院 伍俊明

12. 数据流 发送设备 发送设备 接收设备 接收设备 数据流 发送设备 接收设备 接收设备 发送设备 3.2 数据通信基础知识 三种通信方式 数据流 单工通信 发送设备 接收设备 半双工通信 全双工通信 计算机工程学院 伍俊明

13. 3.2 数据通信基础知识 • 信道按所传送的信号分为模拟信道和数字信道。 • 信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号。 • 基带信号：将数字信号1或0直接用不同的电压来表示，然后送到线路上传输——基带传输。 • 宽带信号：将基带信号调制后形成频分复用模拟信号。由于每一路基带信号可以搬移到不同的频段，因此，在一条线缆中可以同时传送多路数字信号。 计算机工程学院 伍俊明

14. 码元1 码元2 码元3 码元4 码元5 t 信号 同步脉冲 3.2 数据通信基础知识 3.2.3 信道的最高码元传输速率 • 码元：时间轴上的一个信号编码单元 • 同步脉冲：用于码元的同步定时，识别码元的开始 • 同步脉冲也可位于码元的中部 • 一个码元也可有多个同步脉冲相对应 计算机工程学院 伍俊明

15. 3.2 数据通信基础知识 • 数字信号通过实际的信道情况 计算机工程学院 伍俊明

16. 3.2 数据通信基础知识 • 波特率：码元传输的速率单位。波特率为每秒传送的码元数(即信号传送速率) ，单位为波特。 • 奈奎斯特准则：在理想低通信道下的最高码元传输速率公式： 理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud W为理想低通信道的带宽，单位为赫兹（Hz） • 奈氏准则的另一种表示：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。 不能通过 能通过 0 频率(Hz) W (Hz) 计算机工程学院 伍俊明

17. 3.2 数据通信基础知识 • 对于具有理想带通矩形特性的通道，奈氏准则就变为：每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。 • 若码元的时间宽度为T，则码元传输速率=1/T（Baud） 不能通过 能通过 不能通过 0 频率(Hz) W (Hz) 计算机工程学院 伍俊明

18. 3.2 数据通信基础知识 • 比特率与波特率是两个不同的概念 • 波特率是每秒传送码元的个数，而比特率是每秒传输二进位数的位数 • 一个码元可以携带n个信息位，所以比特率是波特率的n倍。若码元传输速率为M baud，则比特率为M×n bps。 • 例：一个带宽为3KHz的理想低通信道，其最高码元传输速率为6000Baud。若1个码元可携带3个比特的信息量，则最高信息传输速率=18000bps。 • 问题：如何使1个码元携带3个信息位？调制！如多相制 计算机工程学院 伍俊明

19. 3.2 数据通信基础知识 • [例]采用四相调制方式，即N=4，且T=833x10-6秒，则S=1/T*log2N=1/(833x10-6)*log24=2400 (bps)B=1/T=1/(833x10-6)=1200 (Baud) • 根据奈奎斯特准则，无噪信道传输能力公式：C=2*W*log2N (bps)其中，W为信道的带宽，单位为Hz；N为电平信号的级数，也即一个码元所取的离散值个数。 • [例]普通电话线路带宽约3kHz，则码元速率极限值B=2*W=2*3k=6kBaud ；若码元的离散值个数N=16，则最大数据传输速率C=2*3k*log216=24kbps。 计算机工程学院 伍俊明

20. 3.2 数据通信基础知识 3.2.4 信道的极限传输速率 • 香农定理：在一个带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中极限信息传输速率C可表达为 C=Wlog2(1+S/N) b/s • 其中，W为信道的带宽，单位为赫；S、N分别表示信道内信号的平均功率和高斯噪声功率。 • 通常把信噪比表示成10lg(S/N)分贝(dB) • 例：在3.1KHz的标准电话信道，如果信噪比S/N=2500，那么由香农定理可知，无论采用何种先进的编码技术，信息的传输速率不可能超过3100×log2(1+2500) b/s，即35Kbps。 • 例：已知信噪比为30dB，带宽为3kHz，求信道的最大数据传输速率。∵ 10lg(S/N)=30 ∴ S/N=1030/10=1000∴ C=3klog2(1+1000)≈30k bps 计算机工程学院 伍俊明

21. 接收的 信号 输入数据 发送的 信号 输出数据 源系统 传输系统 目的系统 传输 系统 发送器 接收器 终点 源点 输出信息 输入信息 码元传输速率受 奈氏准则的限制 信息传输速率受 香农公式的限制 3.2 数据通信基础知识 • 香农定理表明： • 信道的带宽越大，或信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。 • 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就一定可以找到某种办法实现无差错的传输，但并未给出具体实现方法。 • 奈氏准则和香农定理的作用范围 计算机工程学院 伍俊明

22. F(Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 微波 γ射线 无线电 红外线 X射线 可见光 紫外线 F(Hz) 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 卫星 双绞线 光纤 同轴电缆 地面微波 海事 无线电 调幅 无线电 调频 无线电 移动 无线电 电视 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF 3.3 物理层下面的传输媒体 • 传输媒体也叫传输介质或传输媒介。 • 传输媒体分为导向传输媒体和非导向传输媒体。 计算机工程学院 伍俊明

23. 3.3 物理层下面的传输媒体 3.3.1 导向传输媒体 (1) 双绞线:把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来,以减少相邻导线间的电磁干扰. • 用户线:电话机到电话交换机之间的双绞线 • 可支持模拟传输和数字传输,长距离需放大或中继 • 分类: • 屏蔽双绞线STP:双绞外加上金属网屏蔽层 • 无屏蔽双绞线UTP: 计算机工程学院 伍俊明

24. 内导体芯线 绝缘 内屏蔽 外屏蔽 外套 3.3 物理层下面的传输媒体 • 双绞线 --螺旋绞合的双导线，≈1mm --每根4对、25对、1800对 --典型连接距离100m（LAN） --RJ45插座、插头 --优缺点： 成本低 组装密度高、节省空间 安装容易（综合布线系统） 平衡传输（高速率） 抗干扰性一般 连接距离短 计算机工程学院 伍俊明

25. 屏蔽双绞线 (STP) 非屏蔽双绞线 (UTP) • 以铝箔屏蔽以减少 干扰和串音 • 双绞线外无任何屏蔽层 • 常用的双绞线为3类(16Mbit/s)和5类(155Mbit/s)两种 3.3 物理层下面的传输媒体 计算机工程学院 伍俊明

26. 3.3 物理层下面的传输媒体 • 双绞线 • 美国电子工业协会和电信工业协会颁布EIA/TIA-568标准 • 3类UTP:绞合长度7.5—10厘米，端接设备的传输特性定义为16MH。对应于在大多数办公楼里大量使用的话音级电缆；在有限的距离内，经过适当的设计，数据速率可以达到16Mbps • 5类UTP:绞合长度0.6—0.85厘米，端接设备的传输特性定义为100MHZ是数字级电缆，现正成为新建大楼的预装设施；在一定的范围内，经过适当的设计，5类电缆可以达到100Mbps速率。 计算机工程学院 伍俊明

27. 3.3 物理层下面的传输媒体 计算机工程学院 伍俊明

28. 绝缘 保护套层 外导体 屏蔽层 绝缘层 内导体 3.3 物理层下面的传输媒体 (2) 同轴电缆 • 结构 • T型分接头：连接计算机 • 非插入式：剪断导线再连接 • 插入式：无需剪断导线 • 分类 • 基带同轴电缆（50 电缆）：用于数字传输，带宽为10Mbps，可将信号传送1KM，信号编码可采用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 • 宽带同轴电缆（ 75 电缆）： 用于模拟信号传输数字数据宽带模拟传输，带宽可达300～500MHz，如CATV。500MHz以上信号可传达100KM，传送的信号采用了频分多路复用的宽带信号，每一个6MHz的信道可传送一路电视信号，传送数字信号时的数据率可达3Mbps。 计算机工程学院 伍俊明

29. 细缆 同轴电缆用于10Base2 LAN • 细同轴电缆，可靠性稍差 • BNC T型接头连接 • 总线型拓扑 • 用于办公室LAN BNC 接头 NIC 每段最大长度 185m 每段最多站点数 30 两站点间最短距离 0.5 m 网络最多5个段 网络最大跨度 925 m 3.3 物理层下面的传输媒体 计算机工程学院 伍俊明

30. 3.3 物理层下面的传输媒体 粗缆在10Base5 LAN中的应用 • 粗同轴电缆，可靠性好，抗干扰能力强 • 收发器 : 发送/接收, 冲突检测, 电气隔离 • AUI : 连接件单元接口 • 总线型拓扑 • 用于网络骨干连接 Vampire tap 粗缆 BNC端子 最大段长度 500米 每段最多站点数 100 收发器 AUI 电缆 NIC 两站点间最小距离 2.5米 网络最大跨度 2.5公里 计算机工程学院 伍俊明

31. 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 时钟 NRZ Manchester 差分 Manchester 3.3 物理层下面的传输媒体 • 常用编码方式 计算机工程学院 伍俊明

32. 电信号 光信号 电信号 光源 光检测器 驱动器 放大器 3.3 物理层下面的传输媒体 (3) 光纤：由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构成，利用光脉冲来传输数据。 • 结构： • 传送过程：用光纤来传输电信号时，在发送端先要将其转换成光信号，而在接收端又要由光检波器还原成电信号。 计算机工程学院 伍俊明

33. 3.3 物理层下面的传输媒体 • 光纤 • 工作原理： 低折射率 (包层) 高折射率 (纤芯) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 计算机工程学院 伍俊明

34. 3.3 物理层下面的传输媒体 • 光纤 • 分类： • 多模光纤：传输时存在多个传输路径，每一路径的长度不同，因此越过光纤的时间不同。这使信号码元在时间上出现扩散，限制了能准确接收的数据速率，常为62.5m芯/125m外层。 • 单模光纤：传输只存在单个传输途径，因此不会出现这种失真，常为8.3m芯 /125m外层。 • 梯度折射率多模方式：通过改变纤芯的折射率而形成，其特性介于普通多模与单模之间。 计算机工程学院 伍俊明

35. 输入脉冲 输出脉冲 输入脉冲 输出脉冲 3.3 物理层下面的传输媒体 多模光纤 多束光线以不同的反射角传播 单模光纤 单束光线沿直线传播 计算机工程学院 伍俊明

36. 输入电信号 芯/封套特性 h2 h1 多模 MMF h2 h1 光纤的直径减小到一个光波波长 单模 SMF 3.3 物理层下面的传输媒体 ●光纤传送模式：MMF、SMF 输出电信号 波长 : 850,1300 nm 多束光线以不同的反射角传播 波长: 1300,1550 nm 单束光线沿直线传播 计算机工程学院 伍俊明

37. 3.3 物理层下面的传输媒体 • 光纤 • 光纤的特点 • 通信容量非常大 • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济 • 抗雷电和电磁干扰性能好 • 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据 • 体积小，重量轻 • 缺点是光纤精确地连接需用专用设备 • 每根光纤只能单向通信，如要双向通信必须成对 计算机工程学院 伍俊明

38. 3.3 物理层下面的传输媒体 (4) 无线通信 • 一些地方，如高山或岛屿，无法架设线缆；人们还需要移动数据通信，这时可采用非导向传输媒体，如利用无线电、微波、红外线、激光、卫星进行通信。 • 目前高带宽的计算机通信主要使用三种技术：微波，红外线和激光。这三种技术都需要在发送方和接收方之间有一条视线(line-of-sight)通路，有时统称这三者为视线介质。 • 微波：载波频率为2 — 40 GHZ范围，因为频率很高，可同时传送大量信息。 • 地面微波接力通信：微波沿直线传播的，而地球表面是曲面，需在地面建立中继站，天线越高距离越远。 • 卫星通信：人造同步卫星位于36000KM的高空，可作为中继器实现微波接力通信。其最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。卫星通信的频带很宽，通信容量很大，信号所受到的干扰较小，通信比较稳定。卫星通信传播时延较大。 • 红外通信和激光通信也像微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。所不同的是红外通信和激光通信把要传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号，再直接在空间传播。 计算机工程学院 伍俊明

39. 22,300 公里 地球 地球 3.3 物理层下面的传输媒体 计算机工程学院 伍俊明

40. 卫星 天线 下行信道 上行信道 地面站 地面站 卫星通信 3.3 物理层下面的传输媒体 • 卫星通信是利用地球同步卫星作中继来转发微波信号，一个同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上表面，三个这样的卫星可以覆盖地球上全部通信区域，地球上的各个地面站之间都可以互相通信了。由于卫星信道频带宽，也可采用频分多路复用技术分为若干子信道。有些用于地面站向卫星发送(称为上行信道)，有些用于由卫星向地面转发(称为下行信道)。卫星通信的优点是容量大，距离远；缺点是传播延迟时间长。从发送站通过卫星转发到接收站的传播延迟时间为270ms，且这个传播延迟时间是和两站点间的距离无关的。这相对于地面电缆传播延迟时间约6s/km来说，特别对于近距离的站点，要相差几个数量级。 计算机工程学院 伍俊明

41. 信号变换器 信号变换器 计算机 信道 计算机 差错控制 3.4 数据编码技术 • 数据通信系统的基本知识 • 数据与信号：计算机可以通过网络收发数据。但是，数据和传送数据时所采用的信号是两个不同的概念。 • 数据编码：我们把数据转换成传输时所采用的具体信号的过程。 计算机工程学院 伍俊明

42. 3.4 数据编码技术 • 数据通信系统的基本结构 • 数据表示和传输方式 数据表示 数据：模拟数据 (Analog Data) 连续值 数字数据 (Digital Data) 离散值 数据传输方式 信号：模拟信号 (Analog Signals) 数字信号 (Digital Signals) 信号发送方式： 模拟信号发送（模拟信道） 数字信号发送（数字信道） 计算机工程学院 伍俊明

43. 模拟数据（声音） 电话系统 模拟信号 调制解调器 MODEM 数字数据（二进制脉冲） 模拟信号 编码解码器 CODEC 模拟数据 数字信号 数字数据（二进制脉冲） 数字 编码解码器 数字信号 3.4 数据编码技术 • 数据通信系统的基本结构 • 模拟信号发送： • 数字信号发送： 计算机工程学院 伍俊明

44. 3.4 数据编码技术 • 模拟传输和数字传输 模拟数据，模拟信号 模拟数据，数字信号 数字 模拟 模拟 话音 PCM编码 移频,调制 数字数据，模拟信号 数字数据，数字信号 模拟 数字 数字 数字 数字编码 1010 调制 1010 计算机工程学院 伍俊明

45. 3.4 数据编码技术 3.4.1 模拟传输系统 • 传统的电话通信系统是典型的模拟传输系统。要实现全世界十多亿部互连成网，必须分级交换。 • 我国的电话网络现分5级，上面4级是长途电话网，最低一级是市话网。4级长途交换中心从上到下分别是：①一级中心，又称大区中心或省间中心。②二级中心，又称省中心。③三级中心，又称地区中心或县间中心。④四级中心，又称县中心。每一个上级交换局均按辐射状与若干个下级交换局连成星形网。在这以下就是市话交换局，又称为端局，直接与其管辖范围内的各电话用户相连。长途干线采用频分复用的传输方式。 • 目前只有各端局范围内因历史原因仍为模拟传输，而各交换中心长途干线之间均为数字传输 计算机工程学院 伍俊明

46. 模拟信号 载波 s(t) m(t) Modulator Demodulator m(t) 数字或 模拟数据 模拟信道 数字或 模拟数据 发送方 接收方 3.4 数据编码技术 3.4.2 调制解调器 • 调制：把基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形 • 解调：把调制转换后的模拟信号恢复成原有的数字信号。 计算机工程学院 伍俊明

47. 3.4 数据编码技术 • 根据调制过程中所采用的载波的特性不同，分为三种基本调制方法： y=Asin(ωt+φ) • 幅移键控（ASK, Amplitude-Shift Keying）：用载波的两个不同振幅表示0和1 • 频移键控（FSK ,Frequency-Shift Keying）：用载波的两个不同频率表示0和1 • 相移键控（PSK ,Phase-Shift Keying）：用载波的起始相位的变化表示0 和1 计算机工程学院 伍俊明

48. 3.4 数据编码技术 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 ASK FSK PSK 绝对 相对 计算机工程学院 伍俊明

49. 01 1 0 00 10 11 3.4 数据编码技术 • 多相制：使一个码元能包含更多的比特数。 二相制 四相制 010 011 001 100 000 八相制 101 111 110 计算机工程学院 伍俊明

50. 3.4 数据编码技术 • 正交调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 可供选择的相位有 12 种， 而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。 (r, ) r  由于4 bit 编码共有16 种不同的 组合，因此这 16 个点中的每个 点可对应于一种 4 bit 的编码。 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行 解调时要正确识别每一种状态就越困难。 计算机工程学院 伍俊明