计算机网络 第 2 章 物理层 西南财经大学经济信息工程学院 刘家芬 jfliu@swufe.edu.cn

2.1 物理层的基本概念 物理层的作用是尽可能屏蔽掉底层硬件设备和传输介质的差异，主要任务为描述与确定： 2.1 物理层的基本概念 物理层的作用是尽可能屏蔽掉底层硬件设备和传输介质的差异，主要任务为描述与确定： 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 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 2.2 数据通信的基础知识 2.2.1 数据通信系统的模型 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 调制器 PC 机 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

几个术语 通信的目的是传送消息，如语音、文字、图像等。 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。 “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。 “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。

2.2.2 有关信号的几个基本概念 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。 2.2.2 有关信号的几个基本概念 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。

基带(baseband)信号和 带通(band pass)信号 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)。 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

几种最基本的调制方法 对基带信号进行调制(modulation)的 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。

对基带数字信号的几种调制方法 基带信号 1 1 1 1 调幅 调频 调相

2.2.3 信道的极限容量 学者一直致力于提高数据传输速率。但传输的速率越高，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。 2.2.3 信道的极限容量 学者一直致力于提高数据传输速率。但传输的速率越高，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。 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。

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

限制信道传输速率的因素 信道能够通过的频率范围 信噪比

信道能够通过的频率范围 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。 如果信道的频带越宽，能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

(2) 信噪比 1948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。 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 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。 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。

请注意 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.3 物理层下面的传输媒体 也称为传输介质或传输媒介 分成两大类 导向传输媒体：电磁波被导向沿着固体媒体传播 非导向传输媒体：电磁波在自由空间传播

2.3.1 导向传输媒体 双绞线 同轴电缆 光缆 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

2.3.2 非导向传输媒体 无线传输所使用的频段很广。 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。 微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信 卫星通信

2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 2.4 信道复用技术 2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用 复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 信道 A1 A2 A1 A2 共享信道 信道 B1 B2 B1 复用 分用 B2 信道 C1 C2 C1 C2 (a) 不使用复用技术 (b) 使用复用技术

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing) 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频率带宽。 频率 时间 频率 1 频率 2 频率 3 频率 4 频率 5

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 A B C D B C D B C D B C D 频率 A 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 B 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 C 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 D 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 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。 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

统计时分复用 STDM (Statistic TDM) 用户 统计时分复用 A a a t ① B b b t ② a b b c c d a t ③ C c c t #1 #2 #3 ④ D d t 3 个 STDM 帧

2.4.2 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 波分复用就是光的频分复用。 光调制器 8  2.5 Gb/s 1310 nm 光解调器 0 1550 nm 1 1551 nm 2 1552 nm 3 1553 nm 4 1554 nm 5 1555 nm 6 1556 nm 7 1557 nm 1550 nm 0 1551 nm 1 1552 nm 2 1553 nm 3 1554 nm 4 1555 nm 5 1556 nm 6 1557 nm 7 20 Gb/s EDFA 复 用 器 分 用 器 120 km

2.4.3 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) CDMA (Code Division Multiple Access)码分多址：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，彼此不会造成干扰。 起初用于军事，发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于噪声，不易被敌人发现。 现广泛用于民用通信，可提高话音质量和数据传输的可靠性，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率等。

2.6 宽带接入技术 2.6.1 xDSL技术 xDSL 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，而用户线本身实际可通过的信号频率超过了1 MHz。 xDSL 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。 DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。而 DSL 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。

ADSL 的特点 上行和下行带宽做成不对称的。 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。

2.6.3 FTTx 技术 FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。 光纤到家 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。

本章要点 消息？数据？信号？ 数字信号？模拟信号？ 怎么把数字信号变成模拟信号？ 怎么在一个信道中传送多组信号？ CDMA？ADSL？FTTH？ 用一句话概括物理层是起什么作用的？