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 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 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 物理层下面的传输媒体 2.4 信道复用技术 2.5 宽带接入技术

2.1 物理层的基本概念 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的 传输媒体上传输数据流，而不仅仅是指具体的 传输媒体。

2.1 物理层的基本概念 物理层类比举例

2.1 物理层的基本概念 物理层实例（ZigBee）

2.1 物理层的基本概念 物理层实例（WiFi）

2.1 物理层的基本概念 物理层实例（WiFi）

2.1 物理层的基本概念 物理层实例（WiFi）

2.1 物理层的基本概念 物理层实例（WiFi） 1 BPSK 1/2 6Mbps 2 3/4 9Mbps 3 QPSK 12Mbps 4 2.1 物理层的基本概念 物理层实例（WiFi） 序号 调制方式 码率 传输速率 1 BPSK 1/2 6Mbps 2 3/4 9Mbps 3 QPSK 12Mbps 4 18Mbps 5 16QAM 24Mbps 6 36Mbps 7 64QAM 2/3 48Mbps 8 54Mbps

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2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 2.2.2 有关信道的几个基本概念 2.2.3 信道的极限容量

2.2.1 数据通信系统的模型 一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。 数据通信系统 输入 汉字 数字比特流 模拟信号 模拟信号 数字比特流 显示 汉字 公用电话网 源系统 传输系统 调制解调器 PC 调制解调器 PC 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 (数字的或模拟的) 接收 的信号 (数字的或模拟的) 输出数据 输出信息 数据通信系统的模型

常用术语 数据 (data) —— 运送消息的实体。 信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。 模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的 取值是连续的。 数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值 是离散的。

2.2.2 有关信道的几个基本概念 信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息 的媒体。 2.2.2 有关信道的几个基本概念 信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息 的媒体。 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。

2.2.2 有关信道的几个基本概念 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)。

(1) 常用编码方式 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0， 位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定 义。 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都 有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边 界没有跳变代表 1。

(1) 常用编码方式 不归零制 曼彻斯特 1 比特流 差分 归零制 数字信号常用的编码方式

(2) 基本的带通调制方法 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。

(2) 基本的带通调制方法 1 基带信号 调幅 调频 调相 最基本的三种调制方式

正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation) 举例 为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。 r  (r, ) 例如： 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。总共有 16 种组合，即 16 个码元。 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。数据传输率可提高 4 倍。 不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加。

2.2.3 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。 2.2.3 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。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远， 或传输媒体质量越差，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 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

信噪比 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。 噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪 声会使接收端对码元的判决产生错误。 但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪 声的影响就相对较小。 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。 常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即： 信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB) 例如，当 S/N = 10 时，信噪比为 10 dB，而当 S/N = 1000时，信噪比为 30 dB。

香农公式 1984年，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（香农公式）。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为： C = W log2(1+S/N) (bit/s) 其中： 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。

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。

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2.3 物理层下面的传输媒体 2.3.1 导引型传输媒体 2.3.2 非导引型传输媒体

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。 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，即导引型传输媒体和 非导引型传输媒体。 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体 媒体（铜线或光纤）传播。 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引 型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

2.3 物理层下面的传输媒体 电信领域使用的电磁波的频谱： f (Hz) f (Hz) 2.3 物理层下面的传输媒体 电信领域使用的电磁波的频谱： (Hz) f 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 海事 无线电 调幅 无线电 调频 无线电 移动 无线电 电视 波段 LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF

2.3.1 导引型传输媒体 双绞线 最常用的传输媒体。 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距 离一般为几到十几公里。 2.3.1 导引型传输媒体 双绞线 最常用的传输媒体。 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距 离一般为几到十几公里。 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 带金属屏蔽层 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

2.3.1 导引型传输媒体 双绞线的示意图 铜线 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 2.3.1 导引型传输媒体 铜线 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 (b) 屏蔽双绞线 3 类线 5 类线 (c) 不同的绞合度的双绞线 双绞线的示意图

2.3.1 导引型传输媒体 同轴电缆 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输 较高速率的数据。 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。 2.3.1 导引型传输媒体 同轴电缆 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输 较高速率的数据。 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。 50  同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用 75  同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用 内导体 外导体屏蔽层 绝缘层 绝缘保护套层 同轴电缆的结构

2.3.1 导引型传输媒体 光缆 光纤是光纤通信的传输媒体。 2.3.1 导引型传输媒体 光缆 光纤是光纤通信的传输媒体。 由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级， 因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其 他各种传输媒体的带宽。

光线在光纤中的折射 折射角 入射角 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 （高折射率的媒体） 光线在光纤中的折射 当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。

光纤的工作原理 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。 光波在纤芯中的传播 高折射率 (纤芯) 低折射率 (包层) 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射 光波在纤芯中的传播 只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。

光纤优点 (1) 通信容量非常大。 (2) 传输损耗小，中继距离长。 (2) 抗雷电和电磁干扰性能好。 (3) 无串音干扰，保密性好。 (4) 体积小，重量轻。

2.3.2 非导引型传输媒体 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。 无线传输所使用的频段很广。 微波在空间主要是直线传播。 2.3.2 非导引型传输媒体 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。 无线传输所使用的频段很广。 微波在空间主要是直线传播。 传统微波通信有两种方式： 地面微波接力通信 卫星通信

无线局域网使用的 ISM 频段 要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM。各国的 ISM 标准有可能略有差别。 26 83.5 125 频带 MHz MHz MHz 频率 902 928 2.4 2.4835 5.725 5.850 MHz MHz GHz GHz GHz GHz  无线局域网使用的 ISM 频段

可见光通信

卫星通信

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2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用和时分复用 2.4.2 码分复用

2.4.1 频分复用和时分复用 复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。 2.4.1 频分复用和时分复用 复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。 它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。 A1 A2 B1 B2 C1 C2 (a) 使用单独的信道 + ( ) A1 A2 B1 B2 C1 C2 共享信道 (b) 使用共享信道 复用 分用 复用的示意图

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing) 将整个带宽分为多份，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 时间 频带 1 频带 2  频带 n 频带 3 频分复用

时分复用TDM (Time Division Multiplexing) 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。

时分复用可能会造成线路资源的浪费 时分复用 使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。 A B C D a b c d t 4 个时分复用帧 #1 ④ ③ ② ① 时分复用 #2 #3 #4 用户 时分复用可能会造成线路资源的浪费 当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态。

2.4.2 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。

码片序列(chip sequence) 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码 片 (chip)。 每个站被指派一个唯一的 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)

码片序列实现了扩频 假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比 特要转换成 m 个比特的码片，因此 S 站实际上发送的 数据率提高到 mb bit/s，同时 S 站所占用的频带宽度 也提高到原来数值的 m 倍。 这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。 扩频通信通常有两大类： 一种是直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。 另一种是跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

CDMA 的重要特点 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)。 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

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 规格化内积 S  Sx t 规格化内积 S  Tx t

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2.5 宽带接入技术 2.5.1 ADSL 技术 2.5.2 光纤同轴混合网（HFC网） 2.5.3 FTTx 技术

2.5 宽带接入技术 用户要连接到互联网，必须先连接到某个 ISP。 2.5 宽带接入技术 用户要连接到互联网，必须先连接到某个 ISP。 在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用 户线通过调制解调器连接到 ISP 的，电话用户 线接入到互联网的速率最高只能达到 56 kbit/s。 美国联邦通信委员会 FCC 认为只要双向速率之 和超过 200 kbit/s 就是宽带。

2.5.1 ADSL 技术 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术就是用数字技术对现有的模拟 电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。 标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范 围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。 ADSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用， 而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

ADSL 的传输距离 ADSL 的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用 户线越细，信号传输时的衰减就越大）。 例如： 0.5 毫米线径的用户线，传输速率为 1.5 ~ 2.0 Mbit/s 时可传 送 5.5 公里，但当传输速率提高到 6.1 Mbit/s 时，传输距离 就缩短为 3.7 公里。 如果把用户线的线径减小到 0.4 毫米，那么在 6.1 Mbit/s 的 传输速率下就只能传送 2.7 公里。

ADSL 的特点 上行和下行带宽做成不对称的。 ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。 上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。 ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。 这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道” 的意思。

DMT 技术 DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的 子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。 每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进 行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上 使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

DMT 技术的频谱分布 … 频谱 频率 ADSL 的数字业务 上行信道 传统电话 4 下行信道 (kHz) ~40 ~138 ~1100

ADSL 的数据率 由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻 用户线的干扰程度等都不同），因此 ADSL 采用自适应调制技 术使用户线能够传送尽可能高的数据率。 当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用 的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试 信号的传输质量。 ADSL 不能保证固定的数据率。通常下行数据率在 32 kbit/s 到 6.4 Mbit/s 之间，而上行数据率在 32 kbit/s 到 640 kbit/s 之间。

2.5.2 光纤同轴混合网（HFC网） HFC (Hybrid Fiber Coax) 网是在目前覆盖面很 广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居 民宽带接入网。 HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据 和其他宽带交互型业务。 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网 络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进 行单向传输。 HFC 网对 CATV 网进行了改造。

HFC 网的主干线路采用光纤 HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改 换为光纤，并使用模拟光纤技术。 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用 数字光纤更为经济。

HFC 网采用结点体系结构 同轴电缆 光纤 光纤结点 头端 高带宽光纤 HFC 网的结构图

电缆调制解调器 (Cable Modem) 电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。 下行速率一般在 3  10 Mbit/s之间，最高可达 30 Mbit/s。 上行速率一般为 0.2  2 Mbit/s，最高可达 10 Mbit/s。 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器 要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户 端。

2.5.3 FTTx 技术 FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽 带光纤接入方式。 FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如： 光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用 户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼 后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从 路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

FTTx 特点 FTTx是新一代的光纤用户接入网。FTTx的网络 可以是有源光纤网络，也可以是无源光网络。 有源光纤网络的成本相对较高，所以目前通常 所指的FFTx网络应用的都是无源光纤网络。 FTTP(fiber to the premise，光纤到用户所在 地），具有50Mbps或更高的速度。

物理层现状与发展 为什么会有多种物理层通信技术？ 物理层的最新技术 物理层创新方向 比如手机上同时有 WiFi，蓝牙，4G MIMO，车联网通信，毫米波通信，可见光通信 物理层创新方向 软件定义的各种物理层（SDR），对原有物理层的 改进（全双工，多发一收），更快更节能的新物理 层设计（5G，NB-IoT）