CH2-5ed 物理层
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第 2 章 物理层
第 2 章 物理层
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术
2.1 物理层的基本概念
物理层主要功能
考虑如何能在传输媒体上传输数据比特流。 向数据链路层屏蔽硬件设备和传输媒体的差异
2.2.3 信道的极限容量
码元传输的速率越高，或信号传输的距离 越远，在信道的输出端的波形的失真就越 严重
实际的信道 接收信号波形
发送信号波形
有失真，但可识别
实际的信道
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别
2.2.3 信道的极限容量
接收端收到的信号波形失去了码元之间的 清晰界限。这种现象称为码间串扰。
2.2.3 信道的极限容量
香农公式
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。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 的极限传输速率低不少。
2.3 传输媒体
传输媒体：也称为传输介质或传输媒介 指传输系统中发送器和接收器之间的物理 链路 分为两大类
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
2.3.1 导向传输媒体
常用的双绞线的类型、带宽及典型应用
双绞线类别 3 4 5 5E（超5类） 6 7 带宽 16MHz 20MHz 100MHz 100MHz 250MHz 600MHz 低速网络，模拟电话 短距离的10BASE-T以太网 10BASE-T以太网，某些100BASE-T快速以太网 100BASE-T快速以太网，某些1000BASE-T吉比特 以太网 1000BASE-T吉比特以太网，ATM网络 可能用于今后的10吉比特以太网 典型应用
108
109
1010 卫星
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
2.3.2 非导向传输媒体
微波通信的两种主要形式
地面微波接力通信 卫星通信
地面微波接力通信
物理层协议举例
RS-232C接口标准
机械特性 规定使用一个9芯的标 准连接器，并对该连接器的尺寸及 针芯或孔芯的排列位置等做详细说 明 电气特性 规定逻辑“1”的电压 为-15至-5伏，逻辑“0”的电压 为+5至+15伏，+5伏和-5伏之间 为过渡区域不做定义。
物理层协议举例
RS-232C接口标准
数据通信术语
消息(message) ——人能理解的信息 数据(data)——运送消息的实体（消息的表示方法） 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现
模拟信号(连续信号)——取值是连续的。一般用一 连串的正弦波或余弦波表示。
数字信号(离散信号)——取值是离散的。一般是一 连串表示0或表示1的脉冲信号。表示不同离散数值 的脉冲信号成为码元
地球同步卫星
36000km
端到端 单程 270ms 往返 540ms
地面站
VSAT(Very Small Aperture Terminal)甚小孔径地球站
来自百度文库
需要一个强大的中央站 小站天线直径往往不超 过1m，造价便宜 小站之间通信需要经过 中央站存储转发
VSAT
地球同 步卫星
VSAT 中央站
功能特性
定义接口的每一个引脚的功能。
物理层协议举例
RS-232C接口标准
过程特性
各根控制信号线在有序的“ON”(逻辑“0”)和 “OFF”(逻辑“1”)状态的配合下进行的。 在DTE—DCE连接的情况下，只有DTR(数据终端就 绪)和DSR(数据装置就绪)均为“ON”状态时，才具 备操作的基本条件。 此后，若DTE要发送数据，则须先将RTS(请求发送) 置为“ON”状态，等待CTS(允许发送)应答信号为 “ON”状态后，才能在TXD(发送数据)上发送数据。
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
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
2.3.2 非导向传输媒体
频率 B 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
频率 C 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
导引型传输媒体（有线）
双绞线 同轴电缆 光缆
非导引型传输媒体（无线）
2.3.1 导向传输媒体
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
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
2.1 物理层的基本概念
物理层规程（协议）的主要任务是确定与 传输媒体的接口有关的一些特性：
机械特性 指明接口的形状和尺寸、引脚数目 和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明电压的范围。如比特0和1分别 使用多少电压表示。 功能特性 描述接口的功能，如定义接口的每 一个引脚的功能。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。
2.3.1 导向传输媒体
同轴电缆
50 同轴电缆（细缆）
用于数字信号的传输，早期用于局域网中计算机的连 接，现在已经被双绞线所代替
用于模拟信号的传输，目前应用在有线电视的居民小 区中
75 同轴电缆（粗缆）
2.3.1 导向传输媒体
光缆
利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信。 有光脉冲表示1，无光脉冲表示0
2.2.2 有关信道的几个基本概念
信道——表示向某一个方向传送信息的媒体 从通信双方的交互方式分
单向通信——只能有一个方向的通信而没有反 方向的交互。 双向交替通信——通信的双方都可以发送信息， 但不能双方同时发送。 双向同时通信——通信的双方可以同时发送和 接收信息。
2.2.2 有关信道的几个基本概念
微波在空间主要是直线传播。 由于地球表面是曲面，采用100m高的天线 塔，传播距离大约为100km 为实现远距离通信，需要建立若干个中继 站
卫星通信
在地球站之间利用位 于36000km高空的人 造同步地球卫星作为 中继器的一种微波通 信 优点：通信距离远， 覆盖范围大 缺点：传播时延大， 造价贵
信噪比（dB）=10log10(S/N)
2.2.3 信道的极限容量
香农公式
香农公式指出了带宽受限且有噪声干扰的信道 的极限、无差错的信息传输速率。 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 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的噪声功率。
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
输入 汉字
数字比特流
模拟信号 公用电话网
模拟信号
数字比特流
显示 汉字
PC 机
调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统
调制解调器 目的系统
PC 机
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送 的信号
接收 的信号
接收器 输 出 数 据
终点 输 出 信 息
计算机无线传输使用微波这一频段。 电信领域使用的电磁波的频谱
102 104 106 无线电 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 射线 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线
0 f (Hz) 10
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
两个概念：
波特率 码元传输的速率（即每秒传输多少个 码元） 比特率 数据传输的速率（即每秒传输多少个 比特） 比特率= log2n波特率 （n是指分为多少个等 级）
2.2.3 信道的极限容量
信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪 声会使接收端对码元的判断产生影响。 噪声的影响是相对的，信号相对强，噪声的影 响就相对小 信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之 比，记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。
信道——表示向某一个方向传送信息的媒体 从信道传输的信号分
模拟信道——传输模拟信号的信道（适合短距 离通信） 数字信道——传输数字信号的信道（适合长距 离通信） 模拟信号如何在数字信道上传输？ 数字信号如何在模拟信道上传输？
数字信号在模拟信道上传输
数字信号必须经过调制才能在模拟信道上 传输 基本的带通调制方法有以下几种：
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
频率 A 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
一个周期内所有用户发送的比特形成一个 TDM帧
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
调频
调相
常用的编码方式
比特流
不归零制编码 曼彻斯特编码 出现电平转换
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
不归零制编码无法提供位同步信息 曼彻斯特编码利用电压的转换提供位同步信息。
2.2.3 信道的极限容量
任何实际信道都不是理想的，在传输信号 时会产生失真
实际的信道
发送信号波形
接收信号波形
有失真，但可识别
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
2.2.3 信道的极限容量
提高信息的传输速率的方法：
举例： 要发送的比特为101011000110111010 将每3个比特编为一组：101，011，000， 110，111，010 采用不同的调制方法来表示这些信号，如用8 种不同的振幅，或8种不同的频率，或8种不同 的相位进行调制
2.2.3 信道的极限容量
实际的信道
发送信号波形
接收信号波形
有失真，但可识别
实际的信道
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别
2.2.3 信道的极限容量
奈氏准则
1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名 的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下， 为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值
码元传输速率 = 2W
（W是信道的带宽Hz） （码元传输速率的单位：码元/s）
2.2.3 信道的极限容量
提高信息的传输速率的方法：
用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信 息量。 将信号分为2个等级，则1个码元能携带1个比 特信息量 将信号分为4个等级，则1个码元能携带2个比 特信息量 将信号分为n个等级，则1个码元能携带log2n 个比特信息量
调幅(Amplitude Modulation)：载波的振幅随基 带数字信号而变化。 调频(Frequency Modulation)：载波的频率随 基带数字信号而变化。 调相(Phase Modulation) ：载波的初始相位随 基带数字信号而变化。
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
2.4 信道复用技术
频分复用 时分复用、统计时分复用 波分复用 码分复用
2.4 信道复用技术
复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。
信道 信道 A2 B2 C2 A1 B1 C1 A2
A1 B1 C1
复用
共享信道
分用
B2 C2
信道
不使用复用技术
使用复用技术
好处：共享信道，充分利用信道带宽
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
不同的用户占用不同的带宽资源。（这里 的“带宽”指频带宽度，单位是Hz）
频率 频率 5
频率 4
频率 3
频率 2 频率 1
时间
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
将时间划分为一段段等长的周期，每一个 用户在一个周期中占用固定序号的时隙。 每一个用户轮流交替地使用单一信道。
第 2 章 物理层
2.1 物理层的基本概念 2.2 数据通信的基础知识 2.3 传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 数字传输系统 2.6 宽带接入技术
2.1 物理层的基本概念
物理层主要功能
考虑如何能在传输媒体上传输数据比特流。 向数据链路层屏蔽硬件设备和传输媒体的差异
2.2.3 信道的极限容量
码元传输的速率越高，或信号传输的距离 越远，在信道的输出端的波形的失真就越 严重
实际的信道 接收信号波形
发送信号波形
有失真，但可识别
实际的信道
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别
2.2.3 信道的极限容量
接收端收到的信号波形失去了码元之间的 清晰界限。这种现象称为码间串扰。
2.2.3 信道的极限容量
香农公式
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。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 的极限传输速率低不少。
2.3 传输媒体
传输媒体：也称为传输介质或传输媒介 指传输系统中发送器和接收器之间的物理 链路 分为两大类
无屏蔽双绞线 UTP
屏蔽双绞线 STP
2.3.1 导向传输媒体
常用的双绞线的类型、带宽及典型应用
双绞线类别 3 4 5 5E（超5类） 6 7 带宽 16MHz 20MHz 100MHz 100MHz 250MHz 600MHz 低速网络，模拟电话 短距离的10BASE-T以太网 10BASE-T以太网，某些100BASE-T快速以太网 100BASE-T快速以太网，某些1000BASE-T吉比特 以太网 1000BASE-T吉比特以太网，ATM网络 可能用于今后的10吉比特以太网 典型应用
108
109
1010 卫星
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
2.3.2 非导向传输媒体
微波通信的两种主要形式
地面微波接力通信 卫星通信
地面微波接力通信
物理层协议举例
RS-232C接口标准
机械特性 规定使用一个9芯的标 准连接器，并对该连接器的尺寸及 针芯或孔芯的排列位置等做详细说 明 电气特性 规定逻辑“1”的电压 为-15至-5伏，逻辑“0”的电压 为+5至+15伏，+5伏和-5伏之间 为过渡区域不做定义。
物理层协议举例
RS-232C接口标准
数据通信术语
消息(message) ——人能理解的信息 数据(data)——运送消息的实体（消息的表示方法） 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现
模拟信号(连续信号)——取值是连续的。一般用一 连串的正弦波或余弦波表示。
数字信号(离散信号)——取值是离散的。一般是一 连串表示0或表示1的脉冲信号。表示不同离散数值 的脉冲信号成为码元
地球同步卫星
36000km
端到端 单程 270ms 往返 540ms
地面站
VSAT(Very Small Aperture Terminal)甚小孔径地球站
来自百度文库
需要一个强大的中央站 小站天线直径往往不超 过1m，造价便宜 小站之间通信需要经过 中央站存储转发
VSAT
地球同 步卫星
VSAT 中央站
功能特性
定义接口的每一个引脚的功能。
物理层协议举例
RS-232C接口标准
过程特性
各根控制信号线在有序的“ON”(逻辑“0”)和 “OFF”(逻辑“1”)状态的配合下进行的。 在DTE—DCE连接的情况下，只有DTR(数据终端就 绪)和DSR(数据装置就绪)均为“ON”状态时，才具 备操作的基本条件。 此后，若DTE要发送数据，则须先将RTS(请求发送) 置为“ON”状态，等待CTS(允许发送)应答信号为 “ON”状态后，才能在TXD(发送数据)上发送数据。
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
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
2.3.2 非导向传输媒体
频率 B 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
频率 C 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
导引型传输媒体（有线）
双绞线 同轴电缆 光缆
非导引型传输媒体（无线）
2.3.1 导向传输媒体
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
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
2.1 物理层的基本概念
物理层规程（协议）的主要任务是确定与 传输媒体的接口有关的一些特性：
机械特性 指明接口的形状和尺寸、引脚数目 和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明电压的范围。如比特0和1分别 使用多少电压表示。 功能特性 描述接口的功能，如定义接口的每 一个引脚的功能。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。
2.3.1 导向传输媒体
同轴电缆
50 同轴电缆（细缆）
用于数字信号的传输，早期用于局域网中计算机的连 接，现在已经被双绞线所代替
用于模拟信号的传输，目前应用在有线电视的居民小 区中
75 同轴电缆（粗缆）
2.3.1 导向传输媒体
光缆
利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信。 有光脉冲表示1，无光脉冲表示0
2.2.2 有关信道的几个基本概念
信道——表示向某一个方向传送信息的媒体 从通信双方的交互方式分
单向通信——只能有一个方向的通信而没有反 方向的交互。 双向交替通信——通信的双方都可以发送信息， 但不能双方同时发送。 双向同时通信——通信的双方可以同时发送和 接收信息。
2.2.2 有关信道的几个基本概念
微波在空间主要是直线传播。 由于地球表面是曲面，采用100m高的天线 塔，传播距离大约为100km 为实现远距离通信，需要建立若干个中继 站
卫星通信
在地球站之间利用位 于36000km高空的人 造同步地球卫星作为 中继器的一种微波通 信 优点：通信距离远， 覆盖范围大 缺点：传播时延大， 造价贵
信噪比（dB）=10log10(S/N)
2.2.3 信道的极限容量
香农公式
香农公式指出了带宽受限且有噪声干扰的信道 的极限、无差错的信息传输速率。 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 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； S 为信道内所传信号的平均功率； N 为信道内部的噪声功率。
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
输入 汉字
数字比特流
模拟信号 公用电话网
模拟信号
数字比特流
显示 汉字
PC 机
调制解调器 源系统 传输系统 传输 系统
调制解调器 目的系统
PC 机
输 入 信 息
源点
输 入 数 据
发送器
发送 的信号
接收 的信号
接收器 输 出 数 据
终点 输 出 信 息
计算机无线传输使用微波这一频段。 电信领域使用的电磁波的频谱
102 104 106 无线电 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 射线 微波 红外线 可见光 紫外线 X射线
0 f (Hz) 10
4 f (Hz) 10
105 双绞线
106
107 同轴电缆
两个概念：
波特率 码元传输的速率（即每秒传输多少个 码元） 比特率 数据传输的速率（即每秒传输多少个 比特） 比特率= log2n波特率 （n是指分为多少个等 级）
2.2.3 信道的极限容量
信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪 声会使接收端对码元的判断产生影响。 噪声的影响是相对的，信号相对强，噪声的影 响就相对小 信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之 比，记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。
信道——表示向某一个方向传送信息的媒体 从信道传输的信号分
模拟信道——传输模拟信号的信道（适合短距 离通信） 数字信道——传输数字信号的信道（适合长距 离通信） 模拟信号如何在数字信道上传输？ 数字信号如何在模拟信道上传输？
数字信号在模拟信道上传输
数字信号必须经过调制才能在模拟信道上 传输 基本的带通调制方法有以下几种：
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
频率 A 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
一个周期内所有用户发送的比特形成一个 TDM帧
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
调频
调相
常用的编码方式
比特流
不归零制编码 曼彻斯特编码 出现电平转换
1
0
0
0
1
0
0
1
1
1
不归零制编码无法提供位同步信息 曼彻斯特编码利用电压的转换提供位同步信息。
2.2.3 信道的极限容量
任何实际信道都不是理想的，在传输信号 时会产生失真
实际的信道
发送信号波形
接收信号波形
有失真，但可识别
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
2.2.3 信道的极限容量
提高信息的传输速率的方法：
举例： 要发送的比特为101011000110111010 将每3个比特编为一组：101，011，000， 110，111，010 采用不同的调制方法来表示这些信号，如用8 种不同的振幅，或8种不同的频率，或8种不同 的相位进行调制
2.2.3 信道的极限容量
实际的信道
发送信号波形
接收信号波形
有失真，但可识别
实际的信道
发送信号波形
接收信号波形
失真大，无法识别
2.2.3 信道的极限容量
奈氏准则
1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名 的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下， 为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值
码元传输速率 = 2W
（W是信道的带宽Hz） （码元传输速率的单位：码元/s）
2.2.3 信道的极限容量
提高信息的传输速率的方法：
用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信 息量。 将信号分为2个等级，则1个码元能携带1个比 特信息量 将信号分为4个等级，则1个码元能携带2个比 特信息量 将信号分为n个等级，则1个码元能携带log2n 个比特信息量
调幅(Amplitude Modulation)：载波的振幅随基 带数字信号而变化。 调频(Frequency Modulation)：载波的频率随 基带数字信号而变化。 调相(Phase Modulation) ：载波的初始相位随 基带数字信号而变化。
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
2.4 信道复用技术
频分复用 时分复用、统计时分复用 波分复用 码分复用
2.4 信道复用技术
复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。
信道 信道 A2 B2 C2 A1 B1 C1 A2
A1 B1 C1
复用
共享信道
分用
B2 C2
信道
不使用复用技术
使用复用技术
好处：共享信道，充分利用信道带宽
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
不同的用户占用不同的带宽资源。（这里 的“带宽”指频带宽度，单位是Hz）
频率 频率 5
频率 4
频率 3
频率 2 频率 1
时间
时分复用TDM (Time Division Multiplexing)
将时间划分为一段段等长的周期，每一个 用户在一个周期中占用固定序号的时隙。 每一个用户轮流交替地使用单一信道。