计算机网络（第 5 版） 清华大学出版社 Andrew 编著 信息技术学院 主讲：吴晓刚 副教授 2015年9月·北校区

第 2 章 物理层

第 2 章 物理层 2.1 数据通信的基础知识 2.2 物理层下面的传输媒体 2.3 无线传输 2.4 通信卫星 2.5 数字调制与多路复用 2.6 公共电话交换网络 2.7 移动电话系统 2.8 有线电视 2.9 本章总结

2.1 数据通信的基础理论 数据通信系统的模型* 数据通信系统 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 源系统 2.1 数据通信的基础理论 数据通信系统的模型* 数据通信系统 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 源系统 传输系统 调制解调器 PC 机 调制解调器 PC 机 目的系统 源点 发送器 传输 系统 接收器 终点 输入信息 输入数据 发送 的信号 接收 的信号 输出数据 输出信息

2.1 数据通信的基础理论 2.1.1 傅里叶分析 傅里叶级数：任何周期函数可表示成正弦和余弦组成的 无穷级数。 2.1 数据通信的基础理论 2.1.1 傅里叶分析 傅里叶级数：任何周期函数可表示成正弦和余弦组成的 无穷级数。 两边同乘sin(2πkft) 再从0到T求积分： 两边同乘cos(2πkft) 再从0到T求积分： 直接在等式两边求积分：

2.1.2 带宽有限的信号 带宽定义：在传输过程中振幅不会明显减弱的频率宽度。 例1、设数据传输率为：b比特/利润留成，发送8比特所需时间：8/b秒，第一个谐波频率是b/8 Hz.语音线路频率在3000Hz以上，则可以通过的最大谐波数是24000/b. 图2-2可以计算出要想以9600bps发送数据需要把信号2-1a变成2-1c(2个谐波),而其最大数据传输率为38.4Kbps。

2.1.3信道的最大数据速率： 尼奎斯特(Nyquist)定理 B是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 不能通过 能通过 B (Hz) 频率(Hz) Nyquist证明了只要进行了每秒2B次采样，就可以完全重构出过虑的信号，如果信号中包含了V个离散等级尼奎斯特(Nyquist)定理： 最大数据速率= 2B log2V比特/秒 例：无噪声的3KHz信道传播（两级）二进制信号的最大数据速率是：2*3000*log22=6000bps

香农(Shannon) 有噪声的传输速率 信噪比：信号功率S/噪声功率N 最大传输速率 C 可表达为 C = B log2(1+S/N) b/s 举例：普通电话线上提供的ADSL使用大约1Mhz带宽， 信噪比与距离有关（1-2公里约40分贝:10log10S/N） 因此无论采样多少个信号等级（采样频率的快慢） 永远不可能达到13M. 实际上ADSL的最高速率为:12Mbps

2.2 引导性的传输介质 传输介质属于物理层，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 电气特性 功能特性 规程特性 2.2 引导性的传输介质 传输介质属于物理层，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 电气特性 功能特性 规程特性 磁介质（B，KB，MB，GB，TB） 磁带容量与传输能力，狗运磁带的能力。 永远不要低估一辆满载着磁带在高速公路上飞跑的汽车的带宽。

2.3.2 导向传输媒体 双绞线 同轴电缆 光纤缆 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 同轴电缆 50  同轴电缆 75  同轴电缆 光纤缆

各种电缆 无屏蔽双绞线 UTP 屏蔽双绞线 STP 同轴电缆 绝缘层 铜线 聚氯乙烯 套层 聚氯乙烯 套层 屏蔽层 铜线 绝缘层 绝缘保护套层 外导体屏蔽层 绝缘层 内导体

光线在光纤中的折射 包层 折射角 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 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 输出脉冲 单模光纤 P79定义

2.3 无线传输 2.3.1 电磁频谱 电信领域使用的电磁波的频谱 30000GHz f (Hz) f (Hz) 100 102 104 106 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 无线电 微波 红外线 X射线  射线 可见光 紫外线 (Hz) f 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016 双绞线 卫星 光纤 同轴电缆 地面微波 调幅 无线电 调频 无线电 海事 无线电 移动 无线电 电视 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF

2.3.1 电磁频谱(续) 用户喜欢光纤的原因(香农定理分析） 三种扩频技术： 1、跳频扩频：每秒几百次速率变频 军方、蓝牙、旧版802.11 2、直接序列扩频：数据信号展开到一个很宽频段上，信号被赋予不同的码片：码分多址CDMA。 3G移动电话、GPS全球定位系统 3、超宽带通信UWB：快速脉冲

2.3.3 微波传输 频率：100MHZ以上(>108) 微波塔之间的中继距离约80千米 电磁频谱政策 2.3.2 无线电传输 无线电频率（RF：107-109HZ） 干拢 例如：雨水、其他电气设备、障碍物会反射 路径损耗 例：信号沿双胶线传播每100米能量下降20分贝，无线信号下降的速度与距离平方成反比。可使用中继放大信号（交换机、无线AP） 2.3.3 微波传输 频率：100MHZ以上(>108) 微波塔之间的中继距离约80千米 电磁频谱政策

2.4 通信卫星 通信卫星可以想象成一个大型的微波中继器。 地球同步卫星 高度为35800千米的轨道周期为24小时 轨道槽与频率是争抢的资源，ITU作分配频率。 中地球轨道卫星：主要用于导航 低地球轨道卫星： 卫星与光纤对比： 卫星：用于军事与灾难 特殊地理环境：如印度尼西亚，13677个群岛之间拉数千根光缆的代价远高于发射一颗卫星。 未来的主流通信是两者结合

2.5 数字调制与多路复用 概念与术语：P97 数字调制：比特与模糊信号的转换 基带传输：信号占传输介质从0到最大的全部频率 通带传输：调节载波信号的幅值、相们、频率 多路复用：多个信号共享一个信道

2.5.1 基带传输 1、不归零NRZ编码： 正电表1，负电表0，光纤：有光1，无光0 2、带宽效率： 2个比特信号1、0交替才能在正电负电间循环，由尼奎斯定律：至少B/2Hz的宽带才能获得B bps的传输速率 4个信号级别，可以携带2个比特，如00，01，10，11 减少了所需的带宽 3、时钟恢复 帮助接收器区分各个比特 曼彻斯特编码：与0异或，产生从低到高的转变，表示逻辑0，1异或，产生从高到低的转变，表示逻辑1。 4、不归零逆转NRZI：如通用串行总线USB采用此种编码 5、平衡信号：双极编码

2.5.2 通带传输 把信号移动到给定的频带，不同信号在传输介质上共存。 数字调制可利用通带传输完成，调制方法： 幅移键控ASK：采用两个不同的振幅表示0、1 频移键控FSK：采用两个不同的频率表示0、1 相移键控PSK：采用两种不同的相位表示0、1 QAM-16：以上3种技术的结合，如正交调幅 格雷码：将QAM-16的比特映射到符号中

信道复用技术 2.5.3 频分复用FDM： 把频谱分成多个频段分配给不同用户 2.5.4 时分复用TDM 每个用户周期性的获得带宽非常短的时间 2.5.5 码分复用CDM 扩频技术CDMA：把每个比特时间分成m个更短的时间间隔。 原来每秒发送b个比特，现在每秒发送mb个比特

频分复用 频率 频率 5 频率 4 频率 3 频率 2 频率 1 时间

时分复用 A B C D B C D B C D B C D 频率 在 TDM 帧中的位置不变 … TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时间

时分复用 A B C D A C D A C D A C D 频率 在 TDM 帧中的 位置不变 … TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时间

时分复用 A B C D A B D A B D A B D 频率 在 TDM 帧中的 位置不变 … TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时间

时分复用 A B C D A B C A B C A B C 频率 在 TDM 帧中的 位置不变 … TDM 帧 TDM 帧 TDM 帧 时间

时分复用可能会造成线路资源的浪费 用户 时分复用 A a a t ① B b b t ② a b b c c a d t C c c ③ t #1 #2 #3 #4 ④ D d t 4 个时分复用帧

2.5.5 码分复用 CDM 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)。

码片序列(chip sequence) 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。 发送比特 1 时，就发送序列 00011011， 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1) 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。

码片序列的正交关系 (2-4) 举例 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规一化内积(inner product)都是 0： (2-4) 举例 令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。 把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-4)式就可看出这两个码片序列是正交的。

正交关系的另一个重要特性 任何一个码片向量和该码片向量自己的规一化内积都是1 。 一个码片向量和该码片反码的向量的规一化内积值是 –1。

CDMA 的工作原理 1 1 数据码元比特 t m 个码片 S 站的码片序列 S t 发 送 端 S 站发送的信号 Sx t 数据码元比特 t m 个码片 S 站的码片序列 S t 发 送 端 S 站发送的信号 Sx t T 站发送的信号 Tx t 总的发送信号 Sx + Tx t 接 收 端 规一化内积 S  Sx t 规一化内积 S  Tx t

2.6 公共电话交换网络 公共电话交换网络PSTN： 局域网可以采用一根电缆连接两台计算机，距离远时必须依赖于PSTN。 电话系统结构 自贝尔1876年发明电话以来，电话需求非常广，线路全连接是行不通。 从手工接线单交换局模式发展到二级交换局 现在的电话系统包括三部分 本地回路：进入家庭或公司的模拟双绞线 中继线：连接交换局的光纤 交换局：电话呼入连接中继线

2.6.3 本地回路: 调制解调器：Modem：2400bps~56kbps 语音电话线的频率限制在3100HZ内，比以太网或802.11WIFI带宽小了4个数量级 数字用户线路ADSL： 当电话传输数率达到56Kbps时，相比有线电视10Mbps的竞争，采用非对称数字用户线ADSL: 下行8Mbps，上行1Mbps,现在可达12Mbps 光纤到户：FttH,住宅的光纤捆绑后一根连接到端局。 下行：光分离器splitters 上行：光合并器combiner P118页图2-36

2.6.4 中继线和多路复用 电话网络的核心传送的是数字信息而不是模拟信息。在长途传输中需要对信号转换。高带的中继线共享可用TDM和FDM多路复用实现。 数字化语音信号 模拟信号数字化：编码解码器设备完成 时分多路复用 北美和日本使用的T1载波：每125微秒发送一个语音样值。 24条复用语音信道，每信道8bit样值插入到输出流。 那么每帧：24*8=192 bit,附加1bit信令控制

同步光纤网 SONET与同步数字系列 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。 同步数字系列 SDH ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。 SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

SONET 的 OC 级/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系 线路速率 (Mb/s) SONET 符号 ITU-T 表示线路速率 的常用近似值 51.840 OC-1/STS-1  155.520* OC-3/STS-3 STM-1 155 Mb/s 466.560 OC-9/STS-9 STM-3 622.080* OC-12/STS-12 STM-4 622 Mb/s 933.120 OC-18/STS-18 STM-6 1244.160 OC-24/STS-24 STM-8 1866.240 OC-36/STS-36 STM-12 2488.320* OC-48/STS-48 STM-16 2.5 Gb/s 4876.640 OC-96/STS-96 STM-32 9953.280 OC-192/STS-192 STM-64 10 Gb/s

2.6.5交换 电路交换：circuit switching 从你或你的计算机发出一个电话呼叫时，电话系统的交换设备努力寻找一条到对方的物理路径。 需要建立一条专线。 拥塞发生在电路建立时 包交换：替代电路交换的一个方案 无需建立一条专线，数据包交换中没有固定路径 路由器采用存储-转发技术 会产生排队延迟，拥塞发生在数据包转发时

2.7 移动电话系统 移动电话：mobile phone 应用于更广域的语音通信和数据通信 经历了三代：1G、2G、3G 三代不同技术： 2.7 移动电话系统 移动电话：mobile phone 应用于更广域的语音通信和数据通信 经历了三代：1G、2G、3G 三代不同技术： 模拟语音、 数字语音、 数字语音和数据

2.8 有线电视 共用天线电视 20世纪40年代后期出现，解决农村山区的收视 线缆上的Internet： 2.8 有线电视 共用天线电视 20世纪40年代后期出现，解决农村山区的收视 线缆上的Internet： 有线电缆被替换成光纤后，而到家庭的是同轴电缆 这样的系统称为混合光纤电缆。 频谱分配: 频分多路复用 线缆调制解调器:Cable modem ADSL与有线电视电缆 光纤+双胶线（数据用户） 光纤+同轴电缆（是双胶线几百倍，电视节目）

2.9 小结与习题 物理层是网络的基础 带宽、数字调制、中继线 习题布置：2，5，8，37, 46