计算机网络 (山东科技大学)CH2-5ed 物理层

目的系统 接收器 输出 数据 终点 输出 信息
输入 信息
发送 的信号
接收 的信号
数据通信的概念术语
数据：承载消息的实体（某种符号系统）。 信号：数据的电气的或电磁的表现。 模拟信号：信号参数的取值是连续的。 数字信号：信号参数的取值是离散的。 码元：
承载数据的基本信号单位称为码元。 承载数据的基本信号单位称为码元。 用基于时域的波形表示数字信号时， 时域的波形表示数字信号时 用基于时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形称 为码元。 为码元。 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示n位二进制数字 时间间隔相同的符号来表示 位二进制数字， 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示 位二进制数字，这样 时间间隔内的信号称为码元 而这个间隔被称为码元长度。 的信号称为码元。 的时间间隔内的信号称为码元。 而这个间隔被称为码元长度。 1码元可以携带 码元可以携带nbit的信息量 。 码元可以携带 的信息量
第 2 章 物理层（续）
2.4 信道复用技术
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4.2 波分复用 2.4.3 码分复用
2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术 2.6.1 xDSL技术 2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网） 2.6.3 FTTx 技术
2.1 物理层的基本概念
物理层标准规定了信号、连接器和电缆要求
无线 LAN标准和设备
IEEE 802.11a - 工作频段 5 GHz，速 度高达 54 Mbps。此标准的工作频率 较高，因此它的覆盖面积较小、透过 建筑物的效率较低。据此标准工作的 设备不能和基于 802.11b 和 802.11g 标准的设备互操作。 IEEE 802.11b - 工作频段 2.4 GHz,速 度高达 11 Mbps.比基于 802.11a 标 准的设备有更好的透过建筑物的能力。 IEEE 802.11g - 工作频段 2.4 GHz， 速度高达 54 Mbps。与 802.11b工作 在相同的射频范围内。 IEEE 802.11n 标准正在起草中。提 议的标准规定频率为 2.4 Ghz 或 5 GHz。预计数据速率为 100 Mbps 至 210 Mbps、距离长达 70 米。
限制码元在信道上传输速率因素：
（1）信道能够通过的频率范围
1924 年，奈奎斯特(Nyquist) 的奈氏准则,给出了在 理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率 的上限值： C=2Hlog2(V) b/s , H:信道（低通滤波后的）带宽（以 Hz 为单位） V:信号码元的离散级别数 表明：如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信 号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码 元而不出现码间串扰。
光线在光纤中的折射
包层 纤 芯 折射角 包层 （低折射率的媒体）
入射角
纤芯 （高折射率的媒体） 包层 （低折射率的媒体）
特点：低损耗、高带宽、高抗扰、无辐射、体积小、 特点：低损耗、高带宽、高抗扰、无辐射、体积小、重量轻
光纤的工作原理
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
物理层的PDU名称---位（Bits）
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1数据通信系统的模型 数据通信系统的模型
输入 汉字 数字比特流 模拟信号 数据通信系统 模拟信号 数字比特流 显示 汉字
公用电话网 PC 机 调制解调器 源系统 源点 输入 发送器 数据 传输系统 传输 系统 调制解调器 PC 机
1011 1012
1013
1014
1015 光纤
1016
地面微波
调幅 海事 无线电 无线电 波段
调频 移动 无线电 无线电 电视
LF
MF
HF
VHF UHF SHF
EHF THF
2.3.1 导向传输媒体
信号传输受限于媒体（导体）路径
双绞线
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP
0 f (Hz) 10
102
104
106 无线电
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
1024 γ 射线
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
108
109
1010 卫星
1011 1012
1013
1014
1015 光纤
1016
限制码元在信道上传输速率因素：
(2) 信噪比
信噪比 = 10log10（S/N) （dB） 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有 高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C = W log2(1+S/N) b/s
W：信道带宽； S ：为信道内所传信号的平均功率； N ：为信道内部的高斯噪声功率。 表明：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速 率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
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。
2.2.3 信道的极限容量
实际信道，在传输信号时因多种干扰而产生失真。 码元传输的速率越高，信号传输的距离越远，信号波形的失真就 越严重。 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形 接收信号波形
实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 发送信号波形 接收信号波形
有三个红外区域的电磁波段在纤芯中传输有较低的衰减： 0.85μm，1.30 μm ，1.55 μm
多模光纤与单模光纤
多模光纤
输入脉冲 输出脉冲
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
多模光纤与单模光纤规格
综合（结构化）布线系统
EIA/TIA-568（商用建筑物电信布线标准）
GB50311-2007综合布线工程设计规范
聚氯乙烯 套层
绝缘层
铜线
聚氯乙烯 屏蔽层 铜线 绝缘层 套层
无屏蔽双绞线 UTP图示
屏蔽双绞线 STP图示
屏蔽双绞线电缆的典型应用
双绞线线序
常用双绞线
绞合线类型 带宽 3 4 5 16MHz 20MHz 典型应用 低速网络，模拟电话 短距离的10BASE-T以太网
100MHz 10BASE-T以太网，100快速以太网
基带数字信号的 几种最基本的调制方法
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 幅移键控 ASK（Amplitude Shift Keying ） （ 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 频移键控 FSK （frequency shift keying ） 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。 相移键控 PSK （Phase Shift Keying ）
基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号
基带信号（即基本频带信号）——来自信源的原本信号。数 字信号具有基带信号的特征。 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而 许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对 基带信号进行调制(modulation)。 调制：用一种信号（基带信号）来控制（调）另一种信号 （载波---便于在某种信道传输的信号）的定式变化（制）. 带通信号（宽带信号）——用基带信号对载波调制后，把基 带信号的（有效）频率范围搬移到一个较高的频率范围后的 信号。该信号在规定的信号频段（信道）可与其它信号频段 （信道）中的带通信号在同一媒体中传输。
基带数字信号ASK、FSK、PSK示例 、 、
基带信号 1. 调幅
0
1
0
0
1
1
1
0
0
2.调频
3.调相
正交幅度调制 QAM
(Quadrature Amplitude Modulation)
举例：16QAM信号的星座图
(r, ϕ) r ϕ
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。 16种信号波形（码元） 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。
2.3 物理层下面的传输媒体
电信领域使用的电磁波的频谱
0 f (Hz) 10
102
104
106 无线电
108
1010
1012
1014
1016
1018
1020Βιβλιοθήκη 10221024 γ 射线
微波
红外线 可见光 紫外线
X射线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
108
109
1010 卫星
水平子系统 管理子系统 工作区子系统
垂直子系统
建筑群子系统 设备间子系统
网络综合布线系统工程结构示意图
综合布线系统的各个子系统
机柜、信息插座、水平布线
桥架：梯级式、槽式、托盘式
2.3.2 非导向传输媒体--无线媒体
信号传输不像铜介质和光纤介质那样受限于媒体（导体） 信号传输不像铜介质和光纤介质那样受限于媒体（导体） 路径。 路径。 信号形式： 信号形式：
标准制定机构
物理层的主要功能：
确定与某通信系统连接的传输媒体、连接 接口和信号位传输效能特性----服务与协议 （标准）。
机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 指明接口所用接线器的形状和尺寸、 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 指明连接线缆的各通信线 各通信线上出现的 电气特性 指明连接线缆的各通信线上出现的 信号类型及相关参数。（语法） 。（语法 信号类型及相关参数。（语法） 指明某通信线 某通信线上出现的某一信号状 功能特性 指明某通信线上出现的某一信号状 态的意义。（语义） 。（语义 态的意义。（语义） 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。 同步、时序） 的出现顺序。 （同步、时序）