第二章 物 理 层

主要内容 数据通信的几个概念 物理介质 调制 多路复用 交换 拓扑结构

1. 数据通信的几个概念 模拟信号和数字信号： 信号速率： 模拟信号：连续变化的电压或电流波形。 数字信号：一系列表示数字“0”和“1”的电脉冲（码元）。 信号速率： 在物理链路上传输的数字信号是具有一定特征的波形，信号特征包括幅度、相位、频率等（称调制状态）。 信号的调制状态发生变化的速度称为信号速率，单位为波特（baud）。

信道带宽与信号速率 信道带宽： Nyquist定理： 信道上所能传输的频率范围称为信道带宽，单位为赫兹（Hz）。 带宽是传输介质的一种物理特性，通常与介质的结构、粗细、长度等有关。 Nyquist定理： 带宽为H的无噪声信道，其最大信号速率为2H 波特。

信号速率与数据速率 数据速率：每秒钟传输的二进制比特数，单位为比特/秒，记作 bps 或b/s。 如果数字传输系统有N种不同的信号波形（或称信号调制状态），则数据速率 S 和信号速率 B 的关系为： S = B×log 2 N

信道容量 信道容量： 表征一个信道传输数字信号的能力，用信道所能支持的最大数据速率表示。 信道容量只由信道本身的特征（带宽，信噪比）来决定，与具体的通信手段无关。 Shannon定理： 带宽为H、信噪比为 S/N 的信道的最大数据速率为 Hlog2(1+S/N) bps。 信噪比是信号功率S与噪声功率N的比值，常用分贝来表示：10log10S/N。 信道带宽越宽，所允许的数据速率就越高。因此通信中常用带宽来指代速率，宽带和窄带分别就是高速和低速的同义词。

误码率 误码率：衡量数据通信系统在正常工作情况下传输可靠性的指标，定义为传输出错的码元数占传输总码元数的比例，即 Pe = Ne / N 误码率是决定数据单元大小的一个重要依据。

单工、半双工、全双工 单工信道： 半双工信道： 全双工信道： 仅允许在一个方向上进行数据传输。 允许在两个方向上进行数据传输，但同一时刻仅能在一个方向上传输。 全双工信道： 允许在两个方向上同时进行数据传输。

2.传输介质 双绞线 同轴电缆 光纤 无线链路

2.1 双绞线（Twisted Pair） 双绞线由两根绝缘铜导线按螺旋状缠绕在一起。 一对双绞线形成一条通信链路，可以传输模拟信号和数字信号。 双绞线的带宽与导线的粗细、长度及螺旋的密度有关。 双绞线电缆： 将几对双绞线封装在一个塑料外套中，形成双绞线电缆。 屏蔽双绞线（STP）：采用铝箔套管或铜丝编织层套装，带宽较高；但成本高，不易弯曲，安装复杂。 非屏蔽双绞线（UTP）：无屏蔽层，带宽较低。

双绞线图示 (a) Category 3 UTP. (b) Category 5 UTP.

双绞线的应用 连接电话机和电话端局，传输模拟信号，可以传输几公里。 用于住宅因特网接入，如使用普通模拟电话线和拨号调制解调器的住宅接入（56Kbps），使用数字用户线的宽带住宅接入（几个Mbps）。 用于组建计算机局域网 3类双绞线：支持10Mbps； 5类双绞线：支持100Mbps，是目前高速局域网连网的主要方式； 超5类双绞线：支持1000Mbps； …...

2.2 同轴电缆（Coaxial Cable） 同轴电缆由一对导体按照“同轴”的形式构成。 两类同轴电缆： 基带同轴电缆：阻抗为50，一般传输数字信号。传输距离较短，数据速率较低。曾被广泛用作电话系统的长途干线和用于传统局域网的组网，但现在基本上已被光纤和双绞线所替代。 宽带同轴电缆：阻抗为75，一般传输模拟信号。传输距离长，速率高，最常用做有线电视电缆。采用有线电视网络提供因特网接入，是宽带住宅接入的另一种可选方式。

同轴电缆图示

有线电视网提供因特网住宅接入

2.3 光纤（Fiber Optics） 光纤传输系统由3个部分组成： 光源：发光二极管或激光，将数字比特串转换成一系列光脉冲。 光检测器：光电二极管，将光脉冲转换成电脉冲。目前光电二级管的响应时间限制了光纤中的最高数据速率为10Gbps。 光纤：由两种折射系数不同的石英玻璃纤维组成，光线在光纤中全反射地向前传播。

光纤图示（1） (a) Side view of a single fiber. (b) End view of a sheath with three fibers.

光纤图示（2） (a) Three examples of a light ray from inside a silica fiber impinging on the air/silica boundary at different angles. (b) Light trapped by total internal reflection.

光纤（续） 多模光纤：当纤芯直径较大时，光纤内部有多条光线（每条光线称为一个模）以不同的角度全反射地向前传播。 单模光纤：当纤芯的直径减小到只有几个光波长时，光线在光纤中以直线传播而不发生全反射。 光纤的优点：大容量、长距离、抗干扰，适合作为长途导引型介质及构建主干网。 缺点：光设备成本高，阻碍了光纤在短途传输中的应用。 光纤网络较常使用环形拓扑和星形拓扑。

环形光纤网络 A fiber optic ring with active repeaters.

星形光纤网络 A passive star connection in a fiber optics network.

2.4 无线传输介质 无线传输的频率范围大致从无线电到可见光（104-1015Hz），高速数据传输通常发生在高频区域。

与计算机网络关系密切的无线介质 短距离内可使用红外线（室内）、蓝牙无线电等，距离在10米以内，数据为1Mbps。 陆地无线电信道，有两类： 覆盖局部区域（数十到几百米），应用在无线局域网中，如802.11； 覆盖区域广（数十千米），应用在广域无线接入网中，如3G等。 卫星无线电信道： 使用人造地球卫星作为中继器转发信号，具有通信容量极大、传输距离远、可靠性高等优点。

通信卫星 卫星通信方式 根据卫星所处的高度不同，有三类卫星： 每颗卫星连接两个或多个位于地球的微波发射/接收站 卫星上携带转发器，监听频段中的一部分，将输入信号放大，以另一频率广播出去。 根据卫星所处的高度不同，有三类卫星： 地球同步卫星：目前远距离通信基本上依靠这一类卫星，缺点是传输延迟长； 中轨道卫星：目前这一类卫星没有用于电信通信，GPS卫星属于这一类； 低轨道卫星：如铱系统，希望全面替代地面通信系统，提供世界范围内的电信服务；传输延迟短。

使用hub的通信过程

3 编码 不归零码（NRZ）：使用固定的高电平和低电平来表示“1”和“0”，不利于时钟信号的提取。 不归零反转：用当前信号的一个跳变表示“1”，用保持当前信号表示“0”，没有解决连续传输“0”的问题。 曼彻斯特编码：传输NRZ编码数据与时钟的“异或”值使时钟与信号合并。 差分曼彻斯特编码：每个比特信号中间都有一个跳变，用每个比特信号开始时与前一个比特信号的后半部分有无跳变来表示数据，有跳变表示“0”，无跳变表示“1” 。 4B/5B编码：将每4个比特的数据编码为5个比特，降低相同数据速率下的信号速率。

编码示例

4B/5B编码

4 公用交换电话网（PSTN） 电话系统结构 本地回路与调制解调 干线与多路复用 交换

4.1 电话系统交换结构 电话系统由三个部分组成： 本地回路：连接电话机与最近的电话端局，通常采用3类双绞线，传输模拟话音信号； 干线：连接各交换局，现在基本上都采用光纤，传输数字信号； 交换局：转接电话呼叫。

计算机通过电话网通信

4.2 本地回路 本地回路连接计算机到最近的端局。 问题： 本地回路设计用于传输一路模拟的话音信号，带宽约为4000Hz，而计算机发出的数字信号的带宽很宽。 如何在本地回路上进行数据传输？

（1）调制解调器（modem） 利用原有的本地回路，将数字信号转换成适合在本地回路上传输的模拟信号。 调制（modulation）：利用某个频率的正弦波作为载波，令其振幅、频率或相位随数字信号的变化而变化，即使该载波携带要传输的数字信息。 解调（demodulation）：从经过调制的载波中恢复出数字信号。 三种基本的调制方法：振幅调制，频率调制（频移键控），相位调制（相移键控）。

调制方法图示 (a) A binary signal (b) Amplitude modulation (c) Frequency modulation (d) Phase modulation

调制解调器的速率 提高调制解调器的数据速率有两种方法：提高信号速率，增加调制状态。 大多数调制解调器使用2400波特信号速率，通过增加调制状态来提高数据速率： 使用多个振幅、频率或相位，如QPSK 将几种调制方法（多为ASK和PSK）结合起来使用，如QAM-16、QAM-64 标准调制解调器的最高速率为33.6Kbps；56kbps调制解调器支持上行33.6kbps，下行56kbps。 优化技术： 引入额外的校验比特检测和纠正错误 传输数据前先进行数据压缩 发送前测试线路质量，选择合适的数据速率。

QPSK、QAM-16和QAM-64 (a) QPSK (b) QAM-16 (c) QAM-64

（2）非对称数字用户线路（ADSL） 将用户线接入一个不同的交换机，使用本地回路的全部带宽（约1.1MHz）进行数据传输。 ADSL的特点： 将本地回路划分成256个4KHz信道，使用其中的250个信道进行数据传输 上行和下行提供不同的数据速率 每个信道的信号速率为4000波特，采用QAM调制，最高可达到15比特/波特 每个信道的实际速率根据信道质量自动调整

本地回路的信道划分

ADSL的设备配置 ADSL modem：一个数字信号处理器，在250个频率上并行进行QAM处理 DSLAM设备：将收到的调制信号转换成比特流

（3）无线本地回路（WiMax） 无线城域网802.16也称WiMax，在用户站点和核心网络（如公共电话网，Internet）之间提供数字电话、因特网访问、远程局域网连接、电视和无线电广播等服务。 802.16定义了用户收发机同基站收发机之间的无线接口。

4.3 干线与多路复用 问题：干线的传输容量很大，一次只传输一路信号不能充分利用资源，如何在干线上同时传输多路信号？ 多路复用（multiplexing）：在一条线路上同时传输多路信号的技术。 电话干线上常用的多路复用技术有频分多路复用和时分多路复用，波分多路复用是频分多路复用的一个特例。

（1）频分多路复用FDM 线路的带宽被分成许多子频带，每个子频带用来传输一路信号。 (a) The original bandwidths. (b) The bandwidths raised in frequency. (c) The multiplexed channel.

几条不同波长（频率）的光线在同一条光纤中传输。 波分多路复用WDM 几条不同波长（频率）的光线在同一条光纤中传输。

（2）时分多路复用TDM 脉冲编码调制（PCM）包括三个步骤： 多路信号在不同的时间使用信道，前提是采用数字传输。 模拟话音信号在本地回路的末端先进行数字化，再合成到数字主干上。 脉冲编码调制（PCM）包括三个步骤： 采样：对模拟信号进行采样（时间上离散化） 量化：将采样值量化到最近的等级上（取值上离散化） 编码：用一个二进制比特表示量化等级。

PCM线路标准—T1 T1线路

多条T1线路复用到更高速率的载波

光纤中的TDM标准--SONET/SDH

SONET和SDH速率等级

4.4 交换（switching） 数据包从一条线路转发到另一条线路，这个过程称为交换。 电路交换： 分组交换： 传输数据前需要在发送端和接收端之间建立一条实际的物理通路。 优点：保证数据传输的可靠性和顺序，传输延迟短。 缺点： 需要建立和拆除电路，线路利用率低。 分组交换： 以长度受限的数据块（分组）为基本传输单位，采用存储-转发方式传输，传输之前不需要建立实际的物理通路。 优点：线路利用率高，易于实现广播，鲁棒性好。 缺点：传输延迟大且不确定，协议复杂。 总之，电路交换以资源利用率为代价换取较好的传输质量，而分组交换刚好相反。

(a) Circuit switching (b) Packet switching 电路交换和分组交换示例 (a) Circuit switching (b) Packet switching

5 移动电话系统 移动电话系统经历了三代：模拟话音（1G），数字话音（2G），数字话音和数据（3G）。 移动电话系统采用蜂窝结构实现频率重用。 70年代至80年代末，第一代移动通信系统，采用频分多址（FDM）技术。 90年代初，第二代移动通信系统，采用频分多址+时分多址技术。 2000年开始，第三代移动通信系统，采用码分多址（CDMA）技术。

蜂窝结构 (a) Frequencies are not reused in adjacent cells. (b) To add more users, smaller cells can be used.

CDMA技术 每个比特时间被分为m个时隙，称为码片（chip）。 每个节点被分配一个唯一的m比特码序列（chip sequence）。 节点发送“1”时，发送其码序列；发送“0”时，发送其码序列的反码。 当多个节点同时发送时，信号在空中线性相加。 任意两个码序列都是正交的，即假如用S和T表示两个不同的码序列，用/S和/T表示各自的反码，那么应有如下关系式： S·T＝0， S·/T＝0， S·S＝1， S·/S＝-1； 当一个节点需要接收某个节点（如X）的信号时，必须知道X的码序列（设为S），然后用S与接收到的信号（设为P）作相关运算，即可解出X发送的信号： S·P=0，没有发送数据； S·P=1，发送的是“1”； S·P=-1，发送的是“0”

6 有线电视系统 有线电视网一般采用混合光纤同轴电缆（HFC）的结构。 将HFC改造成适合计算机通信，需要进行双向线路改造。 6 有线电视系统 有线电视网一般采用混合光纤同轴电缆（HFC）的结构。 将HFC改造成适合计算机通信，需要进行双向线路改造。 频谱分配：电视信道，上行数据，下行数据。 用户和有线电视台分别需要电缆调制解调器（cable modem）和电缆调制解调器终接系统（CMTS）完成信号的调制/解调及通信协议的实现。

HFC网

频谱分配

与ADSL系统的比较 带宽共享与独占 服务的可用性 可靠性 安全性 有线电视系统中用户共享带宽，而ADSL系统中用户独占带宽

7 拓扑结构 星型结构：所有端节点通过点到点链路连接到中心节点，端节点间的通信必须通过中心节点进行。

总线结构 总线结构：所有节点连接到一根公用的通信线路上。

环型结构 环型结构：节点和连接节点的点到点链路组成一个闭合环，每个节点从一条链路上接收数据，然后立即以同样的速率在另一条链路上发送出去。

树型结构 树型结构（也称星型总线结构）：从总线型和星型结构演变而来。

网状结构 网状结构：由节点和连接节点的点到点链路组成的不规则形状，每个节点都有一条或几条链路同其它节点相连。

本章知识要点 信号速率、数据速率与信道带宽之间的关系 各种传输介质的特点及适用场合 基本的调制技术 基本的多路复用技术 两种交换方式

课外练习 作业 3，5，22，26，28，30，31，42 思考题 4，33，37