第2章 物理层 基本内容：计算机网络物理层的基本概念，数据通信系统的模型、信道及其传输速率的计算，常用的传输媒体，信道复用技术，物理层的标准举例 。 重点掌握： 计算机网络物理层的基本概念 信道及其传输速率的计算 信道复用技术 RS-232 接口标准

2.1 物理层的基本概念 物理层考虑的是如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是传输媒体或物理设备本身。物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性： （1）机械特性 接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。 （2）电气特性 接口电缆上各线的电压范围。 （3）功能特性 指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。 （4）规程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信基础知识 2.2.1 数据通信的基本概念 数据（data）:运送信息的实体。 信号（signal）：数据的电气的或电磁的表现。 模拟的（信号或数据）（analog)：连续变化的。 数字的（信号或数据）（digital)：取值仅允许为有限的几个离散值。 U U U t t t （a）模拟信号 （b）数字信号1 （c）数字信号2

2.2.2 数据通信系统的模型 一个 数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）。 正文 数字比特流 模拟信号 公用电话网 PC机 调制解调器 源点 输入 信息 发送器 数据 传输系统 发送的信号 接收的信号 接收器 终点 输出 源系统 目的系统 数据通信系统的模型

调制与解调 调制：将数字数据转换为模拟信号的过程叫做调制。 解调：将模拟信号转换为数字信号的过程叫做解调。 公用电话网 在公共电话网上，有些地区是数数字网、有些地区是模拟网，也有的是数字、模拟共存的综合业务网。

基带信号和宽带信号 基带信号 就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 基带信号 就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。 宽带信号 则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。

2.2.3 信道及其传输速率 1、几个概念 信 道（channel） 通信双方的交互方式 信道和电路并不等同，信道一般表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。 信道按所传输的信号可分为模拟信道和数字信道，信道上传输的信号还有基带信号和宽带信号之分。 通信双方的交互方式 单向通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。也称单工通信。 双向交替通信：一方发送，另一方接收，过一段时间后再反过来。但不能双方同时发送，也不能同时接收。也称半双工通信。 双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也称全双工通信。

信道的最高码元传输速率 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，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 失真不严重 实际的信道 （带宽受限、有噪声、干扰和失真） 失真严重 输入信号波形 输出信号波形 (失真不严重) (失真严重)

传输速率

示例

2、信道的最高码元传输速率—奈奎斯特(Nyquist)公式奈氏 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud W 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz) 能通过 不能通过 频率(Hz) W (Hz) 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。 Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。

另一种形式的奈氏准则 不能通过 能通过 W (Hz) 理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud 频率(Hz) W (Hz) 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 1 个码元。

即：奈奎斯特(Nyquist)公式 理想低通信道： 理想带通信道： 信道的最高码元传输速率 ＝ 2 W (Baud) 对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的调制信号每秒钟调制载波状态改变的次数。 对于数字信号传输，波特率是指线路上每秒钟传送的波形个数。

示例

对多值信令而言，奈氏公式变为： Nyquist Theorem: C=2Wlog2M 实际上，二进制传输: C=2W

要强调以下两点 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数值。 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。 比特是信息量的单位。

“比特/秒”与“波特” 信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上却有一定的关系。 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相等。 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M  n b/s。

3、信道的极限信息传输速率——香农(Shannon)公式 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。

香农公式表明 C = W log2(1+S/N) 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。

奈氏准则和香农公式 在数据通信系统中的作用范围 源系统 传输系统 目的系统 传输 系统 源点 终点 发送器 接收器 输入信息 输出信息 输入数据 输出数据 发送的 信号 接收的 码元传输速率受 奈氏准则的限制 信息传输速率受 香农公式的限制

2.3 物理层下面的传输媒体 2.3.1 有线传输媒体 ——计算机网络中采用的传输媒体（也称传输介质）分为有线和无线两大类。主要特性包括： 物理特性: 对传输介质物理结构的描述。 传输特性: 传输数字信号还是模拟信号,以及调制技术、传输容量与传输的频率范围。 连通特性: 允许点~点或多点连接。 地理范围: 最大的传输距离。 抗干扰性: 防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力 。 相对价格: 器件、安装与维护费用。 2.3.1 有线传输媒体 ——包括双绞线、同轴电缆、光缆等。

（1）双绞线 双 绞 线 物理特性：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就构成了双绞线。一对线可以作为一条通信线路,各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间的电磁干扰最小。局域网中所使用的双绞线有:屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。 传输特性：可分为五类，最常用的双绞线有3类和5类，均由4对双绞线组成，3类双绞线传输速率可达10Ｍbps，5类双绞线传输速率可达100Ｍbps。它们之间的区别在于单位长度的绞合次数不同：3类的绞合长度为7.5cm ~ 10cm，5类为0.6cm ~ 0.85cm。

双 绞 线 连通性:双绞线既可用于点一点连接,也可用于多点连接。 双 绞 线 连通性:双绞线既可用于点一点连接,也可用于多点连接。 地理范围:双绞线用做远程中继线时,最大距离可达15公里;用于10Mbps局域网时,与集线器的距离最大为100m。 抗干扰性:双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽 价格:双绞线的价格低于其他传输介质,并且安装、维护方便。

（2）同轴电缆 物理特性：由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是箔状）以及绝缘保护外层所组成。

同轴电缆 传输特性：根据带宽不同, 可分为:基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带(50欧姆)同轴电缆一般仅用于数字信号的传输。宽带(75欧姆)同轴电缆可以使用频分多路复用方法,将一条宽带同轴电缆的频带划分成多条通信信道,使用各种调制方式,支持多路传输。宽带同轴电缆也可以只用于一条通信信道的高速数字通信,此时称之为单信道宽带。 连通性：同轴电缆既支持点一点连接,也支持多点连接。 地理范围:基带同轴电缆使用的最大距离限制在几公里范围内,而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里左右。 抗干扰性:同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。 价格:同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间,使用与维护方便。

（3）光 缆 物理特性：光纤是一种直径为8μm～100μm的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面,用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。 四 芯 光 缆

光 缆 传输特性：光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光波通过光纤内部全反射进行光传输的过程。由于光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层的界面上的全反射。在光纤发送端，主要采用两种光源:发光二极管LED(Light-EmittingDiode)与注入型激光二极管ILD(Injection laser Diode)。光纤传输分为单模与多模两类 。 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 缆 连通性:光纤最普遍的连接方法是点一点方式，在某些实验系统中，也可以采用多点连接方式。 光 缆 连通性:光纤最普遍的连接方法是点一点方式，在某些实验系统中，也可以采用多点连接方式。 地理范围:光纤信号衰减极小,它可以在6km～8km公里的距离内,在不使用中继器的情况下,实现高速率的数据传输。 抗干扰性:光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响,能在长距离、高速率的传输中保持低误码率。 价格:目前,光纤价格高于同轴电缆与双绞线。

2.3.2 无线传输媒体 ——用自由空间作为传输介质来进行数据通信。 特点:信号沿直线传播 适用:架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。 分类:红外通信、激光通信和微波通信(微波通信又主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星通信。

（1）地面微波接力通信 原理:长距离传输时每隔一段距离就需架中继站,将前一信号放大向后传。 适用:微波接力通信可传输电话、电报、图象、数据等信息。 优点:频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。 缺点:相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。

（2）卫星通信 原理：用位于36000公里高空的人造同步卫星做中继器的一种微波接力通信。 特点：通信距离远、费用与距离远近无关;具有较大的传输延迟,且传输延迟相对确定。 优点：频带很宽,通信容量大,信号受干扰小；通信比较稳定。 缺点：保密性较差,造价较高。 适用：广播电视通信。

（3）红外线与毫米波通信 特点：具有一定的方向性。 优点：价格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切听或截取。 缺点：不能穿透坚硬的物体。 适用：被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线局域网网的主要选择对象。

2.4 信道复用技术 多路复用：在一个物理信道上传输多路信号（共享信道资源）。 通过多路复用器将多路信号组合在一条物理信道上传输,到接收端再用多路分用器（也称多路译码器）将各路信号分离并输出,从而提高通信线路的利用率，降低通信成本。 在计算机网络中常用的信道复用技术有：频分复用、时分复用、波分复用、码分复用等。

2.4.1 频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing） 信道带宽分割：在物理信道的可用带宽超过单个原始信号所需带宽情况下，可将该物理信道的总带宽分割成若干个与传输单个信号带宽相同(或略宽)的子信道，每个子信道传输一路信号，这就是频分多路复用。 频谱搬移：多路原始信号在频分复用前，先要通过频谱搬移技术将各路信号的频谱搬移到物理信道频谱的不同段上，使各信号的带宽不相互重叠，然后用不同的频率调制每一个信号，每个信号要一个样以它的载波频率为中心的一定带宽的通道。为了防止互相干扰，使用保护带来隔离每一个通道。频分多路复用主要应用于模拟信号。

2.4.2 时分复用TDM（Time Division Multiplexing） 时分多路复用不仅限于传输数字信号，也可同时交叉传输模拟信号。 （1）同步时分：时分方案中的时间片是分配好的，而且是固定不变的。 （2）异步时分：允许动态地分配传输媒体的时间片。

2.4.3 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing） ——在光纤信道上使用的频分复用的一个变种。用来实现使用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号。目前已经做到一根光纤上复用80路甚至更多路数的光载波信号。 2.4.4 码分复用CDM（Code Division Multiplexing） ——这种技术更常用的名词是码分多址CDMA（ Code Division Multiple Access ），是一种用于移动通信系统的技术；共享时间和频率资源。 在CDMA中，每一个比特时间再划分为 m 个短的间隔，称为码片，通常 m 的取值为64或128。使用CDMA的每一个站被指派一个m bit码片序列，一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列；如果要发送比特0，该发送该码片序列的二进制反码。 给每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且必须互相正交（码片向量规格化内积为零）。

2.5 物理层标准举例 DTE DCE 2.5.1 DTE和DCE的概念 ——Data TerminalEquipment 数据终端设备 DTE是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备。比如：一台计算机、一个终端、各种I/O设备。 ——Data Circuit-Terminating Equipment 数据电路端接设备 DCE DCE的作用就是在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接。比如：连接计算机和模拟电话线路之间的调制解调器。 DTE、DCE和通信线路之间的连接如图2-27所示。

图2-27 DTE通过DCE与通信传输线路相连 用户环境 信号线与控制线 信号线与控制线 DTE DCE DCE DTE 通信设施 通信环境 用户设施 用户设施 图2-27 DTE通过DCE与通信传输线路相连

2.5.2 EIA-232-E 接口标准 EIA 对DTE和DCE的接口制订的标准就是所谓的物理层协议。 Electronic Industries Association 美国电子工业协会。 EIA-232 的主要特性： 机械特性：使用ISO 2110关于插头座的标准，有25根引脚，分2排：13根和12根。插头在DTE上，插座在DCE上。 电气特性：与CCITT的V.28建议书一致。采用负逻辑，即0表示+3V或更高的电压；1表示-3V或更负的电压。电缆长度在15m以内，传输速率不超过20kb/s，长度越短，速度越快。 规程特性：与CCITT的V.24建议书一致。规定各事件发生的次序。

与CCITT的V.24建议书一致，它规定了25根引脚的功能及电路连接。图2-28画出了25根引脚中的10根的信号定义。 功能特性： 与CCITT的V.24建议书一致，它规定了25根引脚的功能及电路连接。图2-28画出了25根引脚中的10根的信号定义。 （1）保护地 （2）发送数据 DTE DCE （3）接收数据 （4）请求发送 计算机 或 终端 调制解调器 （5）允许发送 （6）DCE就绪 （7）信号地 （8）载波检测 （20）DTE就绪 （22）振铃指示 图2-28 EIA-232/V.24的信号定义

2.5.3 RS-449 接口标准简介 RS-449相当于CCITT V.35，规定了接口的机械特性、功能特性和过程特性。插头座采用37根引脚。 RS- 423-A规定采用非平衡传输（所有电路共用一个公共地）时的电气特性，电缆长度在10m以内，传输速率可达300kb/s。 RS- 422-A规定采用平衡传输（所有电路共用一个公共地）时的电气特性，电缆长度可达60m，传输速率达2Mb/s；电缆长度在10m以内，传输速率可达10Mb/s。 通常RS-232/V.24用于一个话路的物理层接口， RS-449/V.35用于宽带电路物理层接口。

作业与思考题 作业：P.66 题 2-05、2-06、2-12、2-13。 思考题： 1、传输媒体是物理层吗？传输媒体与物理层的主要区别是什么？（问题2-5） 2、为什么电话信道的标准带宽是3.1kHz？（问题2-3） 3、同步通信和异步通信的区别是什么？（问题2-7）