网络物理层讲解

2.4 物理层的传输介质
物理层的传输介质分为两大类： 导向传输介质和非导向传输介质。 有线介质将信号约束在一个物理导体之内， 如双绞线、同轴电缆和光纤等； 无线介质则不能将信号约束在某个空间范 围之内。
导向传输媒体

双绞线

屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

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。
数字信号通过实际的信道

有失真，但可识别
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
失真大，无法识别
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
(1) 信道能够通过的频率范围
时分复用
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
时分复用
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
频率 C 在 TDM 帧中 的位置不变



3．差错率 误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数 中错误接收的码元数所占的比例，用字母Pe来表 示，即 Pe =错误接收的码元数/所传输的总码元数 误码率指某一段时间的平均误码率，对于同一条 数据电路由于测量的时间长短不同，误码率就不 一样。在日常维护中，ITU-T规定测试时间。 数据传输误码率一般都低于10-10。



时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复 用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一 个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周 期就是 TDM 帧的长度）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的 频带宽度。
2.3 物理层的基本概念
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，即： 机械特性 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。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的 电压的范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电 压表示何种意义。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件 的出现顺序。
4类
5类
5E类 6类
EIA/TIA-568A和EIA/TIA-568B

EIA/TIA-568标准规定了两种连接标准 （并没有实质上的差别），即EIA/TIA568A和EIA/TIA-568B。
EIA/TIA-568A
EIA/TIA-568B
EIA/TIA-568A和EIA/TIA-568B
T568A规定的连接方法是： 1—— 白–绿（就是白色的外层上有些绿色，表示和绿色的是一对线） 2—— 绿色 3—— 白–橙（就是白色的外层上有些橙色，表示和橙色的是一对线） 4—— 蓝色 5—— 白–蓝（就是白色的外层上有些蓝色，表示和蓝色的是一对线） 6—— 橙色 7—— 白–棕（就是白色的外层上有些棕色，表示和棕色的是一对线） 8—— 棕色 T568B规定的连接方法是： 1—— 白–橙 2—— 橙色 3—— 白–绿 4—— 蓝色 5—— 白–蓝 6—— 绿色 7—— 白–棕（就是白色的外层上有些棕色，表示和棕色的是一对线） 8—— 棕色

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用 这个频带。 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请 注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
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)
5. 有关信号的几个基本概念
数字信道和模拟信道 Digital Channels(数字信道)——信道 中传输的是数字信号 Analog Channels(模拟信道)——信道 中传输的是模拟信号
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在信道中传输（即仅在一 段频率范围内能够通过信道）。
香农公式表明




信道的带宽或信道中的信噪比越大，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。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实 际信道不可能是这样的），则信道的极限信息 传输速率 C 也就没有上限。 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。
第 2 章 物理层
2.1 2.2 2.3 2.4 数据通信系统组成 数据通信系统的性能指标 物理层的基本概念 物理层的传输介质
2.1 数据通信系统组成
1.数据终端设备（DTE） 2.数据电路终接设备（DCE） 3.数据电路和数据链路
数据终端设备 通 信 控 制 器 接口 接口 计算机系统 通 信 控 制 器 中 央 处 理 机


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。 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。
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
时分复用
频率 D 在 TDM 帧中 的位置不变
ABCDABCDABCDABCD
…
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
TDM 帧
时间
波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)
数据 输入 输出 设备
数据 电路 终接 设备
传输信道
数据 电路 终接 设备
传输方式
按信息传送的方向与时间可以分为：单工、半双工、 全双工三种传输方式 单向通信（单工通信）——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（半双工通信）——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)。 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可 以同时发送和接收信息。
20 Gb/s
EDFA
120 km
码分复用 CDM
(Code Division Multiplexing)




常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此 彼此不会造成干扰。 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力， 其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称 为码片(chip)。




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。 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的， 否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码 元的判决（即识别）成为不可能。 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。 N= 2W Baud

RJ-45连接器


RJ-45连接器包括一个插头和一个插孔 （或插座）。插孔安装在机器上，而插头 和连接导线相连。 如果看插孔，使针脚接触点在上方，那么 最左边是①，最右边是⑧（见图）。
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ⑦ ⑧
2. 同轴电缆（ Coaxial Cable）
广泛使用的同轴电缆有两种。一种是阻抗为50欧姆 的基带同轴电缆，另一种是阻抗为75欧姆的宽带 同轴电缆。 基带同轴电缆主要用于传输数字信号，可以作为 计算机局域网的传输介质。
(2) 信噪比



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、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 为信道内部的高斯噪声功率。

同轴电缆
Biblioteka Baidu
50 同轴电缆 75 同轴电缆

光缆
各种电缆
无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP
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
同轴电缆
绝缘保护套层 外导体屏蔽层
绝缘层
内导体
1．双绞线TP（Twisted Pair）
EIA/TIA-568规范的UTP分类 特性 类别 3类 线直径：24AWG，最高模拟信号频率：16MHz 在5 ~16MHz频带内，长度可达90米 可传输语音或最高10 Mbps的数字信号 线直径：24AWG，最高模拟信号频率：20MHz 在10 ~20MHz频带内，长度可达90米 可传输语音或最高16 Mbps的数字信号 线直径：22AWG/24AWG，最高模拟信号频率： 100MHz 在20 ~100MHz频带内，长度可达90米 可传输语音或最高100 Mbps的数字信号 增强型5类UTP，特性与5类基本相同，改善了近端 串音、远端串音等功能 性能比5类大幅度改善，用于1000Mbps、1.2Gbps的 ATM等高速网络 10BASE-T、令牌环(4Mbps) 100VG-AnyLAN 25Mbps的ATM-LAN 上述所有LAN 令牌环(16Mbps) 上述所有LAN 100BASE-TX、FDDI TPPMD 155.5/622Mbps的ATM-LAN 上述所有LAN 上述所有LAN 1000BASE-T、1.2Gbps ATM 用途

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 共享信道
A1 B1 C1
复用
分用
B2 C2
信道
(a) 不使用复用技术
(b) 使用复用技术
频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
2.2
数据通信系统的性能指标
1.信息传输速率（ Rb ） 信息传输速率简称传信率，又称信息速率、 比特率，它表示单位时间（每秒）内传 输实际信息的比特数，单位为比特／秒， 记为bit/s、b/s、bps。
2．码元传输速率（RB） 码元传输速率简称传码率，又称符号速率、码 元速率、波特率、调制速率。它表示单位时间 内（每秒）信道上实际传输码元的个数，单位 是波特（Baud），常用符号“B’来表示。 信息传输速率（ Rb ）与码元传输速率（RB） 之间关系: Rb = RBlog2N 式中，N为码元的进制数
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
信号带宽和信道带宽
1．Bandwith of Signal(信号的带宽)——信 号的频率范围 2．Bandwidth of Channel(信道的带宽)— —能够通过信道的信号的频率范围
信道的极限容量

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。

波分复用就是光的频分复用。
8 2.5 Gb/s 1310 nm
光调制器
0 1 2 3 4 5 6 7 1550 nm 1551 nm 1552 nm 1553 nm 复 1554 nm 用 1555 nm 器 1556 nm 1557 nm
光解调器
1550 nm 1551 nm 1552 nm 分 1553 nm 用 1554 nm 器 1555 nm 1556 nm 1557 nm 0 1 2 3 4 5 6 7