http://blog.sciencenet.cn/u/lilang 科学网 李浪 第4章 物理层 http://blog.sciencenet.cn/u/lilang 科学网 李浪

第4章 物理层 4.1 物理层的定义和功能 4.2 物理层的特性 4.3 典型的物理层标准接口 4.4 传输媒体 4.5 宽带接入技术

4.1 物理层的定义和功能 物理层位于通信模型的最底层，它直接面向实际承担数据传输的物理媒体。但是，物理层不是指具体的物理设备，也不是指信号传输的物理媒体，而是指在物理媒体之上为上一层（数据链路层）提供一个传输原始比特流的物理连接。 物理层协议规定了与建立、维持及断开物理信道所需的机械的、电气的、功能性的和规程性的特性。其作用是确保比特流能在物理信道上传输。

4.2 物理层的特性 物理层协议解决的问题为确定与传输媒体的接口有关一些特性，主要包括四个方面： 4.2 物理层的特性 物理层协议解决的问题为确定与传输媒体的接口有关一些特性，主要包括四个方面： 1.机械特性：定义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。 2.电气特性：定义接口电缆的各条线上出现的电压范围。 3.功能特性：定义接口信号的引脚的功能分配和确切的定义，某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 4.规程特性：定义不同功能的各种可能事件的出现顺序。

4.3 典型的物理层标准接口 DTE设备与DCE设备 4.3 典型的物理层标准接口 DTE设备与DCE设备 数据终端设备（Data Terminal Equipment ，DTE）是具有一定数据处理能力和数据发送接收能力的设备，包括各种I/O设备和计算机。由于大多数的数据处理设备的传输能力有限，直接将相距很远的两个数据处理设备连接起来是不能进行通信的，所以要在数据处理设备和传输线路之间加上一个中间设备，即数据线路端接设备（Data Circuit-terminating Equipment ，DCE）。DCE在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能。

EIA RS-232-C EIA-RS-232C标准，其中EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS（recommeded standard）代表推荐标准，232是标识号，C代表RS232的最近一次修改（1969年） 。

RS-232-C接口特性 1、电气特性 采用负逻辑电平。用-15V～-5V表示逻辑“1”电平，用+5V ～ +15V表示逻辑“0”电平。当连接电缆长度不超过15m时，允许数据传输速率不超过20kb/s。

RS-232-C接口特性 2、机械特性 RS-232采用标准25芯D型插头座（DB25），分为上排13根引脚、下排12根引脚。后来简化为9芯D型插座，供计算机与调制解调器的连接使用，如计算机的COM接口。规定插头应安装在DTE设备端，插座应安装在DCE设备端。

RS-232-C接口特性 3、功能特性 功能特性规定了什么电路应当连接到引脚中的哪一根以及该引脚的作用。

表4-2 RS-232接口信号定义 简写符 DTE25芯 DCE25芯 DTE9 芯 DCE9芯 信号方向 信号功能解释 PG 1 - 保护地 TXD 2 3 DTE->DCE 发送数据 Transmit Data RXD DTE<-DCE 接收数据 Receive Data RTS 4 5 7 8 请求发送 Require to Send CTS 清除请求 Clear to Send DSR 6 20 数据装置就绪 Data Set Ready GND 信号地 Ground DCD In 接收线信号检测 Data Carry Detected DTR 数据终端准备好 Data Terminal Ready RI 22 9 振铃指示

RS-232-C接口特性 4、过程特性 以终端通过Modem及电话线与远程计算机中心主机以半双工方式通信为例说明RS-232通信过程。 首先，当终端接至线路上时，20号线(DTE就绪)为高电平(通状态)，表示通知Modem(DCE)要求与线路接通，Modem响应，通过6号线(DCE就绪)发信号，以高电平回答，表示Modem(DCE)已准备好，同时向远程Modem(远程DCE)发载波。以上属于数据通信连接建立阶段。 接下来，若终端想发送数据，就使4号线(请求发送)处于通状态，表示请求发送，并向对方发送载波。与终端连接的Modem收到发送请求，用5号线(允许发送)响应，使其接通，表示准备好发送，此时终端就可通过2号线(发送数据)发送数据。与此同时，对方Modem(远程DCE)收到载波后通过8号线(载波检测)向主机(远程DTE)发信号，表示已检测到接收数据载波，准备接收数据，并经3号线(接收数据)接收数据。以上属于数据通信阶段。 最后，当数据发送完毕后，4号线变成低电平(断开状态)，5号线也随之降低，恢复成原始状态，数据通信连接断开。

EIA RS-449/422-A/423-A RS-449有三个标准组成： 1.RS-449 规定接口的机械特性、功能特性和过程特性。RS-449的连接器使用37引脚及9引脚的连接器，2次通道（返回字通道）电路以外的所有相互连接的电路都使用37引脚的连接器，而2次通道电路则采用9引脚连接器。 2.RS-423-A 规定在采用非平衡传输时的电气特性。当连接电缆长度为10M时，数据的传输速率可达300kb/s. 3.RS-422-A 规定在采用平衡传输时的电气特性。它可将传输速率提高到2Mb/s,而连接电缆长度可超过60m，当连接电缆长度更短时（如10 m），则传输速率还可以更高些（如达10Mb/s）。

CCITT X.21与X.25 X.21是对公用数据网中的同步式终端（DTE）与线路终端（DCE）间接口的标准。主要是对两个功能进行了规定： 其一是与其他接口一样，对电气特性、连接器形状、相互连接电路的功能特性等的物理层进行了规定； 其二是为控制网络交换功能的网控制步骤，定义了网络层的功能。在专用线连接时只使用物理层功能，而在线路交换数据网中，则使用物理层和网络层的两个功能。X.21接口用的连接器引脚也只用15针引脚，电气特性分别参照V系列接口电气标准的V.10和V.11。数字网的同步都是从属于网络主时钟。

CCITT X.21与X.25 X．25是CCITT（ITU）建议的一种协议，它定义终端和计算机到分组交换网络的连接。分组交换网络在一个网络上为数据分组选择到达目的地的路由。X．25是一种很好实现的分组交换服务，用于将远程终端连接到主机系统的技术。这种服务为同时使用的用户提供任意点对任意点的连接。来自一个网络的多个用户的信号，可以通过多路选择通过X．25接口而进入分组交换网络，并且被分发到不同的远程地点。

4.4 传输媒体 传输媒体(Transmission Medium) 也称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。它可分为两大类，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传播。

常用的传输媒体： 双绞线：由互相绝缘的铜导线用规则的方法扭绞起来而成，线对扭在一起可以减少相互间的辐射电磁干扰。双绞线早期用在电话通信中模拟信号的传输，也用于数据信号的传输，是最常用的传输媒体。为了提高双绞线的抗干扰能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线，简称为STP(Shield Twisted Pair)。

图4-1 双绞线的结构

常用的传输媒体： 同轴电缆：同轴电缆同轴电缆也象双绞线那样由一对导体组成，但它们的按"同轴"形式构成线对，最里层是内芯,外包一层绝缘材料，外面再一层屏蔽层，最外面则是起保护作用的塑料外套。内芯和屏蔽层构成一对导体。

图4-2 同轴电缆的结构

常用的传输媒体： 光纤：光纤是光导纤维的简称,，它由能传导光波的石英玻璃纤维，外加保护层构成。光纤的传输原理基于光在两种介质交界面上的全反射现象，把以光形式出现的能量约束在波导内，并引导光沿着轴线平行的方向传播。

图4-3 光线在光纤中的折射

图4-4 多模光纤与单模光纤

图4-5 光纤通信中常用的三个波段

常用的传输媒体： 无线传输：无线传输媒体都不需要架设或铺埋电缆或光纤，而通过大气传输，有三种技术：微波、红外线和激光。

图4-6 电信领域使用的电磁波的频谱

4.5 宽带接入技术 4.5.1 DSL 4.5.2 HFC 4.5.3 FTTX光纤接入技术

DSL DSL：DSL(Digital Subscriber Line数字用户环路)技术是基于普通电话线的宽带接入技术，它在同一条用户线路上分别传送数据和语音信号。DSL包括ADSL、RADSL、HDSL和VDSL等等。 非对称数字用户线系统ADSL是DSL的一种非对称版本，它采用FDM（频分复用）技术和DMT调制技术，在保证不影响正常电话使用的前提下，利用原有的电话双绞线进行高速数据传输 。

DMT 调制技术 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。

图4-7 使用DMT的ADSL频谱划分方案

ADSL的接入模型

HFC 基于HFC网（光纤和同轴电缆混合网）的Cable Modem电缆调制解调器技术，又名线缆调制解调器，主要用于有线电视网进行数据传输。电缆调制解调器（Cable Modem ）技术就是基于CATV（HFC）网的网络接入技术。

Cable Modem的工作过程 以DOCSIS标准为例，Cable Modem的技术实现一般是从87 MHZ—860MHZ电视频道中分离出一条6MHZ的信道用于下行传送数据。通常下行数据采用64QAM（正交调幅）调制方式或256QAM调制方式。上行数据一般通过5 MHZ—65 MHZ之间的一段频谱进行传送，为了有效抑制上行噪音积累，一般选用QPSK调制 。

FTTX光纤接入技术 光纤通信具有通信容量大、质量高、性能稳定、保密性好、防电磁干扰、远距离传输能力强等优点，在主干线通信中，光纤扮演着重要角色，在接入网中，光纤接入也将成为发展的重点。 光纤接入网从技术上可分为两大类：即有源光网络(AON，Active Optical Network)和无源光网络(PON，Passive OpticaOptical Network)。　　

光纤接入方式 根据光网络单元的位置，光纤接入方式可分为如下几种：FTTR（光纤到远端接点）；FTTB（光纤到大楼）；FTTC（光纤到路边）；FTTZ（光纤到小区）；FTTH（光纤到用户）。 光网络单元具有光/电转换、用户信息分接和复接，以及向用户终端馈电和信令转换等功能。

光纤接入技术的优势 光纤接入技术与其他接入技术（如铜双绞线、同轴电缆、五类线、无线等）相比，最大优势在于可用带宽大，而且还有巨大潜力可以开发，在这方面其他接入技术根本无法与其相比。光纤接入网还有传输质量好、传输距离长、抗干扰能力强、网络可靠性高、节约管道资源等特点。

练习题 1 物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？ 答：物理层要解决的主要问题： （1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。 （2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。 （3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路 物理层的主要特点： （1）由于在OSI之前，许多物理规程或协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按OSI的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体接口的机械，电气，功能和规程特性。 （2）由于物理连接的方式很多，传输媒体的种类也很多，因此，具体的物理协议相当复杂。

作业 4-6