第二章 02 物理层总结
《计算机网络（第7版）谢希仁著》第二章物理层要点及习题总结
《计算机⽹络（第7版）谢希仁著》第⼆章物理层要点及习题总结1.物理层基本概念：物理层考虑的是怎样才能再连接各种计算机的传输媒体上传输数据⽐特流，⽽不是指具体的传输媒体2.物理层特性：机械特性，电⽓特性，功能特性，过程特性3.数据通信系统：分为源系统（发送端）、传输系统（传输⽹络）、⽬的系统（接收端）三⼤部分，通信的⽬的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电⽓或电磁的表现，通信系统必备的三⼤要素：信源，信道，信宿4.信号： （1）模拟信号（连续信号） 代表消息的参数的取值是连续的，连续变化的信号，⽤户家中的调制解调器到电话端局之间的⽤户线上传送的就是模拟信号。
（2）数字信号（离散信号），代表消息的参数的取值是离散的。
⽤户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话⽹中继线上传送的就是数字信号。
在使⽤时间域（或简称为时域）的波形表⽰数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
在使⽤⼆进制编码时，只有两种不同的码元，⼀种代表0状态⽽另⼀种代表1状态。
（1码元可以携带的信息量不是固定的，⽽是由调制⽅式和编码⽅式决定的，1码元可以携带n bit的信息量，可以通过进制转换和多级电平）5.信道 （1）基本概念：信道⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的媒体，⼀条通信电路往往包含⼀条发送信道和⼀条接收信道。
（2）通信双⽅的交互⽅式： ①单⼯通信（单向通信）：即只能有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，例如：⽆线电⼴播，有线电⼴播 ②半双⼯通信（双向交替通信）：即通信的双⽅都可以发送信息，但不能双⽅同时发送（当然也就不能同时接收）。
这种通信⽅式是⼀⽅发送另⼀⽅接收，过⼀段时间后可以再反过来。
例如：对讲机 ③全双⼯通信（双向同时通信）：即通信的双⽅可以同时发送和接收信息。
例如：打电话 （3）调制和解调 原因：信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。
像计算机输出的代表各种⽂字或图像⽂件的数据信号都属于基带信号。
计算机网络技术第二章 物 理 层
第二章物理层内容提要：介绍计算机网络中物理层的基本概念及物理层的常用标准、信道极限容量的概念，数据传输速率的计算，各种传输媒体的特性，模拟和数字传输技术。
重点：信道极限容量，模拟和数字传输技术。
2.1 物理层的基本概念2.2 信道的概念及其极限容量的计算2.3 传输媒体2.4 无线传输(自学)2.5 模拟传输和数字传输2.6 物理层标准举例（自学）第二章物理层内容提要：介绍计算机网络中物理层的基本概念及物理层的常用标准、信道极限容量的概念，数据传输速率的计算，各种传输媒体的特性，模拟和数字传输技术。
重点：信道极限容量，模拟和数字传输技术。
2.1 物理层的基本概念物理层是OSI的最低层，它建立在物理通信介质的基础上，作为系统和通信介质的接口，为数据链路实体间实现透明的比特(bit)流传送。
“透明”是指某个实际存在的事物看起来好像不存在一样。
“透明的比特流传送”表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化，因此，对比特流来说“看不见”这个电路，换一句话说，这个电路对该比特流来说是透明的。
1. DTE和DCE在计算机网络中常用到DTE和DCE这两个术语。
（1）数据终端设备DTE(Data Terminal Equipment)指网络中用于处理用户数据的设备，是计算机网络中的数据源和信源。
它是资源子网的实体，通常是一台计算机，也可以是I/O设备。
虽然DTE有较强的处理能力及一定的发送和接收数字系统的能力，但它所发出的信号通常不能直接送到传输介质上，而是借助于DCE来实现。
（2）数据电路端接设备DCE (Data Circuit Terminating Equipment) 这是介于DTE与传输介质之间的设备，它用于将DTE发出的数字信号变为适合于在传输介质上传输的信号形式，并将它送到传输介质上；反之，又可以从传输介质上接收远方传来的信号，并将它转换为计算机能接收的数字信号形式并送往计算机。
例如通过电话线进行计算机通信时所用的调制解调器就是典型的DCE，它可从计算机中接收数字信号，调制为模拟信号并发送到电话线上，在另一端，从电话线上接收到模拟信号经解调后变换为数字信号并送往计算机进行处理。
计算机网络基础-物理层要点
交换机
D/A
4/2 D/A
V.34Modem
数字信号
56kModem Internet 服务商
17
2.5 模拟传输和数字传输
• 脉码调制PCM
–一个电话信道带宽3.4kHz；8k采样；每个样 本用8bits表示。因此一路标准的PCM信号速 率为64kbps.
• 欧洲标准E1
–一个时分复用帧包括32个时隙。但是有二个 时隙分别用于同步和信令，只用30个时隙传 数据。
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4
2.1 物理层的基本概念
• 用OSI物理层模型（实体、服务原语、协议数据单元等） 来描述物理层不太合适。
– 在OSI提出之前，许多物理层规程或协议已经制定；
– 早期的物理层规程没有像OSI那样将服务定义和协议区分开 来；
• 将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的
一些特性。
转换，并经过调制/解调在模拟用户环路上传 输。 • 高速MODEM
–提高每码元承载的比特数。 –提高信噪比。（A/D和D/A引起较大的量化噪声）
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2.5 模拟传输和数字传输
交换机
A/D
V.34Modem
2/4 A/D
交换机
A/D
2/4
56kModem
A/D
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数字信号
• 物理层的主要作用 物理层的主要作用就是给其服务用户（即数据 链路层或数据链路层实体）在一条物理的传输 媒体上传送和接收比特流的能力。 –首先激活（建立）一个连接 –维持这个连接 –去活（释放）这个连接
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7
2.2 信道的极限容量
1.有限带宽无噪声信道上的最高码元传输 速率和最高数据率。
计算机网络物理层总结要点
a
t①
分配时隙，而是按需 动态地分配。
B bb
C
cc
D
d
t②
③ t
④ t
a bbc cd a t #1 #2 #3
3 个 STDM 帧
第 2 章 物理层
2.5 信道复用技术 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
异步时分复用 同步时分复用
统计时分复用 普通时分复用
用户所占用的时隙并不是 周期性地出现。
两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格 化内积(inner product)都是 0：
S • T
1 m
m i1
SiTi
0
向量 S 表示站 S 的码片向量， T 表示其他站的码片向量。
第 2 章 物理层
2.5 信道复用技术 2.5.3 码分复用
例如：向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向 量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。
用户 Aa
时分复用可能会造成线路资源的浪费
时分复用 at
①
Bb b
t②
C
cc
t③
④
D
dt
ab #1
bc
ca dt
#2
#3
#4
4 个时分复用帧
第 2 章 物理层
2.5 信道复用技术
STDM帧的时隙数小
2.5.1 频分复用、时分复用和统计时于分复复用用的用户数。
统计时分复用
用户
STDM帧不是固定地
Aa
时间
第 2 章 物理层
2.5 信道复用技术
计算机网络各章节总结
计算机网络各章节总结
计算机网络各章节总结思维导图（物理层、数据链路层、网络层、传输层）_编程设计_IT干货网
物理层：
物理层是计算机网络的最底层，主要负责将数字信号转换为物理信号，以便在物理媒介上传输。
物理层的主要任务包括：数据的传输、数据的编码、数据的调制和解调、数据的传输介质等。
数据链路层：
数据链路层是计算机网络的第二层，主要负责将物理层传输的比特流转换为数据帧，并在相邻节点之间传输。
数据链路层的主要任务包括：数据的分组和组装、差错检测和纠正、流量控制和访问控制等。
网络层：
网络层是计算机网络的第三层，主要负责将数据链路层传输的数据帧转换为数据包，并在不同网络之间进行路由选择。
网络层的主要任务包括：数据的分组和组装、差错检测和纠正、路由选择和转发等。
传输层：
传输层是计算机网络的第四层，主要负责在端到端的通信中提供可靠的数据传输服务。
传输层的主要任务包括：数据的分段和组装、差错检测和纠正、流量控制和拥塞控制等。
总体来说，计算机网络的各层之间相互协作，共同完成数据的传输和处理。
物理层负责将数字信号转换为物理信号，数据链路层负责将物理层传输的比特流转换为数据帧并进行差错检测和流量控制，网络层负责将数据链路层传输的数据包进行路由选择和转发，传输层负责在端到端的通信中提供可靠的数据传输服务。
02计算机网络-第2章 物理层
§2.3.1 导向传输媒体
一、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(twist)起来就构成了 双绞线。
从用户电话机到交换机的这段线称为用户 线或用户环路(subscriber loop)。
屏蔽双绞线 (STP)
（以铝箔屏蔽以减少干扰和串音）
2.3.1.1 双绞线
非屏蔽双绞线 (UTP)
双 电 缆 系 统 的 示 意 图 如 图 (a) 所 示 。 头 端 (headend)的作用是将各计算机从发送电缆发过来 的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电 缆上收到发送给它们的信息。
图(b)为单电缆系统。
2.3.1.2 同轴电缆
§2.3.1 导向传输媒体
三、光纤
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝， 主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯很细， 其直径只有8 ~ 100 m。正是这个纤芯用来传导光波。 其特点是： - 依靠光波承载信息
RX+ RXTX+ 未使用 未使用 TX未使用 未使用
EIA/TIA568B
EIA/TIA568B
在10 /兆比秒和100 Mb/s以太网中只使用两对导线。也 就是说，只使用4根针脚（1, 2, 3和6），1和2用于发送， 3和4用于接收
2.3.1.1 双绞线
⑴ 直通线缆 水晶头两端都是遵循EIA/TIA568A或
§2.2 数据通信的基础知识
§2.3 物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它 就是数据传输系统中在发送器和接收器之间 的物理通路。传输媒体可分为两大类:导向传 输媒体、非导向传输媒体。
在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着 固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输 媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中 电磁波的传输常称为无线传输。
第二章物理层
频率 4 频率 3 频率 2 频率 1
时间
非对称数字用户线路（ADSL）
ADSL是一种实现宽带接入互联网的技术，采 用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上 行和下行三个相对独立的信道。提供最高1Mbps 的上行速度和最高24Mbps的下行速度。 （0Hz~1.1MHz频段划分成256个4.3kHz的子频带。 4kHz、20kHz~138kHz、138kHz~1.1MHz）
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） 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角
包层 （低折射率的媒体）
（光纤由石英玻璃拉成细丝，其直径只有8-100um）
光纤的特点： 重量轻：一公里长只有几十克重； 传输速率高：短距离（几十公里）可达2Gbps 长距离可达几百Mbps 误码率低，低于10-10 （双绞线：10-5~6 同轴电缆：10-7-9） 不受电磁干扰，保密性好，传输损耗极低 衰减少,在6-8公里距离内不使用中继器
选择某一角频率的正佘弦信号做为载波
对基带数字信号的三种调制方法 （模拟数据编码方法）
基带信号 调幅 (AM) 载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM) 载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) 载波的初始相位随基带数字信号而变化。 正交振幅调制 QAM 0 1 0 0 1 1 1 0 0
通信方式
1. 串行传输与并行传输 串行传输：低位先传，远距离 并行传输：并排传送，近距离 2. 同步传输和异步传输 同步传输：使用同时钟，高效率，同步控制装置 异步传输：不同时钟，起始位和停止位，效率低 传输时字符间异步，字符内各位同步
通信方式
3.单工/半双工/全双工
计算机网络知识精讲 第二章 物理层
第二章物理层(一) 通信基础1. 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念2. 奈奎斯特定理与香农定理3. 编码与调制4. 电路交换、报文交换与分组交换5. 数据报与虚电路(二) 传输介质1. 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质2. 物理层接口的特性(三) 物理层设备1. 中继器2. 集线器2.1 通信基础2.1.1 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念（1）信道：向某一个方向传送信息的媒体。
（2）信号：数据的电磁或电气表现。
（3）带宽：媒介中信号可使用的最高频率和最低频率之差，或者说是频带的宽度，Hz；另一定义是信道中数据的传送速率，bps。
（4）码元：在使用时间域（简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
（5）波特：单位时间内传输的码元数。
（6）比特率：单位时间内传输的比特数。
（7）信源（8）信宿计算机网络的性能计算1. 速率比特（bit）是计算机中数据量的单位，也是信息论中使用的信息量的单位。
一个比特就是二进制数字中的一个1 或0。
速率即数据率(data rate)或比特率(bit rate)是计算机网络中最重要的一个性能指标。
速率的单位是b/s（bps），kb/s, Mb/s, Gb/s 等“带宽”(bandwidth)本来是指信号具有的频带宽度，单位是赫（或千赫、兆赫、吉赫等）。
现在“带宽”是数字信道所能传送的“最高数据率”的同义语，单位是“比特每秒”，或b/s (bit/s)，bps。
更常用的带宽单位是千比每秒，即kb/s （103 b/s）兆比每秒，即Mb/s（106 b/s）吉比每秒，即Gb/s（109 b/s）太比每秒，即Tb/s（1012 b/s）请注意：在计算机界，K = 210 = 1024M = 220, G = 230, T = 240。
3. 时延(delay 或latency)传输时延（发送时延）发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间。
计算机网络入门学习-计算机网络入门学习-第2章 物理层
101
1
01
(a) 模拟信号
(b) 数字信号
码元是数字信号中每一位的通称，在使用 时间域的波形表示数字信号时，代表不同 离散数值的基本波形就称为码元。
其可以用二进制表示，也可以用其它进制 的数表示。
模拟通信系统
信源
调制解调 器
传输介质
调制解调 器
信宿
噪声
模拟通信的所需的频带比较窄，信道的利用率较高。但 是模拟通信抗干扰能力差、保密性差、设备不易大规模 集成，不适应计算机通信的需要。
以数字信号来传送信息的通信方式称为数字通信。 数字通信系统
信源
信源编码
信道编码
传输介质
信道译码
信宿译码
信宿
噪声
2.2.3 信道特征
信道是信号从发送端到接收端之间进行传 输的路径。但这里信道并不特指具体的某 种电缆或电线等，而是指数据流过的由介 质提供的路径。
信道是一个泛指的概念。一般可以由带宽、 信道容量和误码率等指标来表征该信道的 特性。
1. 信道带宽
模拟信道的带宽如图所示，如果取信道衰减阈值为，即 f1是信道能通过的最低频率，f2是信道能通过的最高频 率，那么， 该信道的带宽W=f2-f1，f1和f2都是由信道的 物理待性决定的。
最大传输速率的说明、与互连电缆相关的规则、发送器的 输出阻抗、接收器的输入阻抗等电气参数等。
3) 功能特性
用于规定物理接口各条信号线的用途，包括：接口线功能 的规定方法
接口信号线的功能可分为数据信号线、控制信号线、定时 信号线和接地线4类。
4) 规程特性
用于规定利用接口传输比特流的全过程及各项用于传输的 事件发生的合法顺序，包括事件的执行顺序和数据传输方 式，即在物理连接建立、维持和交换信息时，DTE和DCE 双方在各自电路上的动作序列等。
第2章物理层
第2章物理层在第l章中已经简单地提到了物理层的主要功能。
本章将主要介绍物理层的基本概念、常用的物理层标淮、有关信道极限容量的重要概念，并给出与数据传输速率有关的两个著名公式，着重讨论各种传输媒体的主要特点，以及模拟传输和数字传输的一些常用技术。
2．1 物理层的基本概念首先应当强调指出是，物理层并不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体，而主要考虑的是：设备（包括：计算机、集线器、交换机、路由器等）间如何接口；怎样在连接各种设备的传输媒体上透明地传输数据的比特流。
大家知道，现有的计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同的方式。
物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使其上面的数据链路层感觉不到这些差异。
这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
考虑到读者所学知识结构的差异，下面首先简单地介绍一下有关现代通信的一些最基本的知识和最重要的结论(但不给出证明)。
1．信道所谓信道就是传输信息的通道。
信道和电路并不等同（包括无线电路）要进行计算机之间的通信当然要有传输电磁波信号的电路。
信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
因此，一条通信电路至少包含一条发送信道和(或)一条接收信道。
一个信道可以看成是一条电路的逻辑部件。
如果我们把电路看成城市的马路，那么我们就可以把信道看成马路中的车道。
信道可分成模拟信道和数字信道两大类。
传输模拟信号的信道叫做模拟信道，传输数字信号的信道叫做数字信道。
模拟信号，即连续的信号，如话音信号和目前的广播电视信号；数字信号，即离散的信号，如计算机通信所用的二进制代码“1”和“0”组成的信号。
数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，而模拟信号在经过模数变换后也可以在数字信道上传送。
信道上传送的信号还有基带(based band)信号和宽带(broadband)信号之分。
简单说来，所谓基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
计算机网络物理层总结
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
第 2 章 物理层
2.5 信道复用技术 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 时分复用
频率 在 TDM 帧中的 位置不变
ABCDABCDABCDABCD …
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
第 2 章 物理层
2.5 信道复用技术 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 时分复用
t ②
ab bc c a d t t ③ ④ t
C
D
#1
#2
#3
#4Biblioteka 4 个时分复用帧第 2 章 物理层
2.5 信道复用技术 STDM帧的时隙数小 2.5.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 于复用的用户数。 统计时分复用 STDM帧不是固定地 用户 分配时隙，而是按需 A a a t ① 动态地分配。
第 2 章 物理层
2.6 同步光纤网SONET和同步数字系列SDH
同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的 主时钟。 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1，OC 表示 Optical Carrier。
A B 0 AC 0 B C 0
D: (–1 +1 –1 –1 –1 –1 +1 –1)。
第 2 章 物理层
2.5 信道复用技术 2.5.3 码分复用
A — — 1 B — 1 0 C 1 1 — D — — — A: (–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1) B: (–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1) C: (–1 +1 –1 +1 +1 +1 –1 –1) D: (–1 +1 –1 –1 –1 –1 +1 –1)。 S1: (–1 +1 –1 +1 +1 +1 –1 –1) S2: (–2 0 0 0 +2 +2 0 –2)
第二章 物理层(通信原理基础)
0 0
脉冲信号
1 1
0
1
0 0 0
1
0
调幅AM
调频FM
调相PM
2013-7-13
三种频带传输方式的比较
幅移键控：
* 调制技术简单、易于实现，且带宽较小； * 但抗干扰能力较差，适用于低速的数据传输；
频移键控：
* 抗干扰能力较强 * 但带宽较大，适用于中速的数据传输 * 是目前最常用的调制方法之一
相移键控 ：
0
1
1
1
0
1
0
0
曼彻斯特（manchester）编码
2013-7-13
曼彻斯特编码的优点：
• 每个比特的中间有一次电平跳变，两次电平跳变的时间间 隔可以是T/2或T，所以数据传输速率只有调制速率的1/2;
• 利用电平跳变可以产生收发双方的同步信号;
• 曼彻斯特编码信号又称做“自含钟编码”信号，发送曼彻 斯特编码信号时无需另发同步信号。在传输代码信息时， 也将时钟同步信号一起传输到对方，每位编码中都有一个 跳变，不存在直流分量。因此具有自同步能力和良好的抗 干扰性能。
2.2.3 信道的极限容量
数据通信系统的技术指标主要从数据传输的数量和质量来衡量
1、数据传输速率： （1）信号速率（比特率）： 单位时间内传送二进制代码的位数。 单位是比特/秒（bit/s）或位/秒（bps)，其计算公式：
电子信息工程学院
④数据通信系统的基本构成 实际的数据通信系统有许多的连接方法， 但当把多种连接方法构成的数据通信系统抽象 化后，数据通信系统可以被表示成下图所示的 基本构成。
计算机网络基础 电子信息工程学院
1.数据通信系统的一般结构:
计 算 机 信 号 变 换 器 信 号 反 变 换 器 终 端 设 备
02第二章物理层
– 信号噪比通常使用10log10S/N 来表示，单位是分贝(dB) – 例如，对于一个带宽为3 kHz ，信噪比为35dB 的信道，无论其使
用多少个量化电平，也不管采样速度多快，其数据传输率不可能 大于35000比特/秒，计算过程如下：
– CCITT V.28：非平衡型电气特性，EIA RS-232-C
– CCITT X.21/EIA RS-449
成都信息工程学院——方睿 仅供计算机2000级使用
2019年2月 第1页4页
2.1 物理层的基本概念（4）
➢ 功能特性 说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
– 主要定义各条物理线路的功能。 线路的功能分为四大类： – 数据 – 控制 – 定时 –地
协议很复杂；重点在基本概念上。
➢ 物理层的四个重要特性
➢ 机械特性
主要定义物理连接的边界点，即接插装置。规定物理连接时所 采用的规格、引脚的数量和排列情况。
➢ 常用的标准接口：
– ISO 2110 25芯连接器 EIA RS-232-C，EIA RS-366-A
– ISO 2593 34芯连接器
V.35宽带MODEM
(a) 无线电波沿地表传播
(b) 无线电波被电离层反射
无线电波的传播
成都信息工程学院——方睿 仅供计算机2000级使用
2019年2月 第1页20页
2.4 信号传输（1）
模拟传输和数字传输
2.4.1多路复用
➢ 在同一介质上，同时传输多个有限带宽信号的方法，被称为多路复
用(Multiplexing)
多
2019年2月 第1页11页
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=(h+r)2,
d h2 2rh
h
d
D
d
地面
r
2019/1/22
44
无线电中继
无线电中继
2019/1/22
45
静止卫星中继通信
2019/1/22
46
平流层中继通信
HAPS(High Altitude Platform Station)
2019/1/22
47
散射通信
电离层散射
• 频率: 30 ~ 60 MHz
示)。
通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两
绝缘保护套层 类： 外导体屏蔽层 绝缘层
• (1) 50 同轴电缆
2019/1/22
-(2) 内导体 75 同轴电缆
31
3．光缆
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤
芯和包层构成双层通信圆柱体。
纤芯很细，其直径只有8 ~ 100 m。 纤芯用来传导光波。包层较纤芯有较低的折射率。当
第3章 物理层
Physical Layer
主要内容
2.1 2.2 2.3 2.? 2.4 2.5 2.6
2019/1/22
物理层基本概念 数据通信的基础知识 物理层下面传输媒体 模拟传输与数字传输 信道复用技术 数字传输系统 宽带接入技术
2
2.1 物理层的基本概念
物理层协议也常称为物理层规程 (procedure) 物理层的主要任务:确定与传输媒体的接 口的一些特性，即： （1）机械特性
LF
MF
HF
VHF UHF SHF EHF THF
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图4
电信领域使用的电磁波的频谱
28
2.3.1 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 (Twist) 起来就构 成了双绞线。 图是无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的示意图。
2019/1/22
输入脉冲
输出脉冲
输入脉冲
单模光纤
输出脉冲
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34
四芯光缆
外护套 远供电源线 光纤及其包层 填充物 加强芯 包带层
四芯光缆剖面的示意图
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光纤特点
光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而 且还具有其他的一些特点： （ 1 ）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特
别经济;
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电磁波传播：地波、天波、视线 传播
电离层 60~300 km
平流层
地球
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对流层 0~10 km
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地 波
•频率：2MHz 以下 •绕射：发生在波长～障碍物尺寸可比 时 •通信距离：可达数百～数千 km
地球
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电离层的结构
•D层：高60 ~ 80 km •E层：高100 ~ 120 km •F层：高150 ~ 400 km F1层：140 ~ 200 km F2层：250 ~ 400 km
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聚氯乙烯 套层
绝缘层 （a）无屏蔽双绞线
铜线
聚氯乙烯 套层
屏蔽层 绝缘层 铜线 （b）屏蔽双绞线
(a) 无屏蔽双绞线
(b) 屏蔽双绞线
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不同绞合度的双绞线
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2．同轴电缆
同轴电缆由内导体铜质芯线 ( 单股实心线或多股
绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也 可以是单股的)以及保护塑料外层所组成(如图所
Sm(t)
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几种最基本的调制方法
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。为了解决 这一问题，就必须对基带信号进行调制 (modulation)。 最基本的二元制调制方法有以下几种：
• 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而 变化。
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模拟 信号
模拟 数据
PCM 编码器
数字 信号
数字 数据
调制器
模拟 信号
数字 数据
数字 发送器
数字 信号
图
模拟数据、模拟信号、数字数据和数字信号
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2.2.2 有关信道的几个基本概念
从通信双方信息交互方式看有三种基本方 式 （1）单向通信：
又称为单工通信，即只能有一个方向的通 信而没有反方向的交互，如无线电广播或 有线电广播以及电视广播；
接口的结构 光传播的方向 计算机 与计算机相连 光纤
光纤
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接口
光接收器 光发送器 信号再生器 （光电二极管） （电信号） （发光二极管LED）
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明线
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2.3.2 非导向传输媒体
1．无线传输
2. 短波通信
3．地面微波接力通信
特点：微波波段频率很高，其频段范围也 很宽，因此其通信信道的容量很大；
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对基带数字信号的几种调制方法
基带信号 调幅 0 1 0 0 1 1 1 0 0
调频
调相
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正交振幅调制 QAM
(Quadrature Amplitude Modulation)
举例
(r, ) r
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。 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。
Baud是波特，是码元传输速率的单位， 1波特为每秒传送1个码元;
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奈氏准则的另一种表达方法：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；--频带利用率是2. 对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽 为W )，奈氏准则变为： 理想带通信道的最高码元传输速率 =Wlog2K Baud
（2）电气特性
（3）功能特性
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（4）过程特性
在物理连接上的传输方式一般都是串行 传输，即一个比特一个比特地按照时间 顺序传输；
并行传输方式----数据在计算机中传输
传输方式的转换
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2.2 数据通信的基础知识
2.2.1
键盘 输入 汉字 PC 机 数据通信系统 数据通信系统的模型 模拟信号 公用电话网 调制解调器 源系统 调制解调器 传输系统 目的系统 模拟信号 数字比特流 屏幕 显示 汉字 数字比特流
输入 信息 2019/1/22
源点
输入 数据
发送器 发送的信号
传输系统
接收的信号
接收器 输出 数据
终点 输出 信息
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模拟、数字数据与信号
数 据 (Data) 是 运 送 信 息 的 实 体 ， 信 息 (Information)则是数据的内容或解释； 信号(Signal)则是数据的电气的或电磁的表现， 即数据的物理量编码；
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下图给出了一个数字信号通过质量好的信道和质
量差的信道时的输出波形：
2.2.3 提高数据传输速率的途 径
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奈奎斯特 (Nyquist) 推导出在理想低通 信道下的最高码元传输速率： 理想低通信道的最高码元传输速率 =2Wlog2K Baud W 指理想低通信道的 带宽，单位为赫(Hz)；
1010
1012 红外线
1014
1016
1018 X射线
1020
1022
1024
射线
可见光 紫外线
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
108
109
1010
1011 1012
1013
1014
1015
1016
卫星 地面微波
光纤
海事 调幅 无线电 无线电 波段
调频 移动 无线电 无线电 电视
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2.3 物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介， 即数据传输系统中在发送器和接收器之
间的物理通路；
传输媒体分为两大类，即导向传输媒体 （有线介质）和非导向传输媒体（无线 介质）；
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0 f (Hz) 10
102
104
106 无线电
108 微波
对流层散射
• 频率: 100 ~ 4000 MHz
流星余迹散射
• 频率: 30 ~ 100 MHz
有效散射区域
地球
地 球
图1.4.7 流星余迹散射通信
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图1.4.6 对流层散射通信
无论数据或信号，都可以是模拟 (Analog) 的 或数字 (Digital) 的。所谓“模拟的”就是连 续变化的，如话音，视频；而“数字的”就
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表示取值是离散的，如计算机内存储的文本
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话音
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模拟信号
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数字信号
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Continuous 和 Discrete 信号
常用“单工”这个名词表示“双向交替通 信”；
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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 源的信号。像计算机输出的代表各种文字 或图像文件的数据信号都属于基带信号。 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)。 带通信号——把基带信号经过载波调制后， 把信号的频率范围搬移到较高的频段以便