部分图片来自某高校方老师课件

第二章物理层

2.1物理层的基本概念

1、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比特流，而不是指具体的传输媒体。

2、可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

(1) 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

(2) 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

(3) 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

⑷ 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

3、数据在计算机内部多釆用并行传输方式。但数据在通信线路(传输媒体) 上的传输方式一般都是串行传输(这是出于经济上的考虑)，即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

1、一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（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）。

2、通信的目的是传送消息（message）（如话音、文字、图像、视频等）。数据（data）是运送消息的实体。信号 (signal)则是数据的电气或电磁的表现（模拟信号，数字信号）。

2.2.2有关信道的几个基本概念

1、信道(channel)一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

2、三种信息交互方式：

(1) 单向通信 又称为单工通信（只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，一条信道）

(2) 双向交替通信 又称为半双工通信，（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，两条信道)）。

(3) 双向同时通信 又称为全双工通信（通信的双方可以同时发送和接收信息，两条信道）。

3、来自信源的信号常称为基带信号(即基本频带信号)。基带信号往往包含有较多信道并不能传输的低频成分，甚至有直流成分，所以需要进行调制

2.2.3信道的极限容量

1、在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。

2、限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：

(1) 信道能够通过的频率范围（如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了 “尾巴”。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。）

(2) 信噪比（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：信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB)）

3、在1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式：信道的极限信息传输速率C = W log2(l+S/N) (bit/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，信息的极限传输速率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

4、对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，还能用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量，以此来提高信息的传输速率。例如每3个比特编为一个组，将原来的18个码元的信号就转换为由6个新的码元。

2.3物理层下面的传输媒体

1、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

2.3.1导引型传输媒体

1、双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。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(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。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。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值(对于模拟传输)，或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形(对于数字传输)。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是**屏蔽双绞线，**简称为STP (Shielded Twisted Pair)。

2、同轴电缆由内导体铜质芯线（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（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，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。

3、光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1,而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为10^8 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。光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以釆用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：(1) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。(2) 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。(3) 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。(4) 体积小，重量轻。

2.3.2非导引型传输媒体

1、无线传输可使用的频段很广，LF波段的波长是从1 km到10 km (对应于30 kHz〜300 kHz)0 LF, MF和HF的中文名字分别是低频、中频(300 kHz〜3 MHz)和高频(3 MHz〜30 MHz)o更高的频段中的V, U, S和E分别对应于Very, Ultra, Super和Extremely,相应的频段的中文名字分别是甚高频(30 MHz〜300 MHz)、特高频(300 MHz〜3 GHz)、超高频(3 GHz〜 30 GHz)和极高频(30 GHz〜300 GHz),最高的一个频段中的T是Tremendously,目前尚无标准译名。

2、短波通信(即高频通信)主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，即速率为一个标准模拟话路传几十至几百比特/秒。只有在釆用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千比特/秒。

3、无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300 MHz〜300 GHz (波长Im〜1mm),但主要使用2〜40 GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。由于微波在空间是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50 km左右。但若釆用100 m高的天线塔，则传播距离可增大到100 km。为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。大多数长途电话业务使用4~6 GHz的频率范围。微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点是：(1) 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。(2) 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波(即甚高频)通信小得多，因而微波传输质量较高。(3) 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。当然，微波接力通信也存在如下的一些缺点：(1) 相邻站之间必须直视(常称为视距LOS (Line Of Sight)),不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。(2) 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。(3) 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。(4) 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

4、常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。对地静止通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站。可见卫星通信的主要优缺点大体上应当和地面微波通信差不多。卫星通信的最大特点是通信距离远，且通信费用与通信距离无关。同步地球卫星发射出的电磁波能辐射到地球上的通信覆盖区的跨度达1万8千多公里，面积约占全球的三分之一。只要在地球赤道上空的同步轨道上，等距离地放置3颗相隔120度的卫星，就能基本上实现全球的通信。卫星通信的另一特点就是具有较大的传播时延。通信卫星本身和发射卫星的火箭造价都较高。受电源和元器件寿命的限制，同步卫星的使用寿命一般为10〜15年。卫星地球站的技术较复杂，价格还比较贵。这就使得卫星通信的费用较高。

5、低轨道卫星通信系统已开始使用。低轨道卫星相对于地球不是静止的，而是不停地围绕地球旋转。目前，大功率、大容量、低轨道宽带卫星己开始在空间部署，并构成了空间高速链路。由于低轨道卫星离地球很近，因此轻便的手持通信设备都能够利用卫星进行通信。

6、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(只要不干扰他人在这个频段中的通信)，这正好满足计算机无线局域网的需求。美国的ISM频段，现在的无线局域网就使用其中的2.4 GHz 和 5.8 GHz 频段。ISM 是 Industrial, Scientific, and Medical (工业、科学与医药)的缩 *写,*即所谓的“工、科、医频段”。各国的ISM标准有可能略有差别。

7、红外通信、激光通信也使用非导引型媒体。可用于近距离的笔记本电脑相互传送数据。

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

1、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。可见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)。优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。

2、时分复用TDM (Time Division Multiplexing)：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。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。时分复用则更有利于数字信号的传输。优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。

3、统计时分复用STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。因此，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。在输出线路上，某一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。因此统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

4、TDM帧和STDM帧都是在物理层传送的比特流中所划分的帧。这种 “帧”和我们以后要讨论的数据链路层的“帧”是完全不同的概念，不可弄混。

2.4.2波分复用

1、波分复用WDM （Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用。

2.4.3码分复用

1、码分复用CDM (Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。CDMA (Code Division Multiple Access)每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。釆用 CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量(是使用GSM的4〜5倍①)，降低手机的平均发射功率，等等。

2、在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)o通常m的值是64或128。使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列(chip sequence)o 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,则发送该码片序列的二进制反码。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1,将1写为+1。现假定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)。

3、CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一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。**两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积(inner product)都是0。任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1，一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

2.5数字传输系统

1、在电话网中由于数字通信与模拟通信相比，无论是传输质量上还是从经济上都有明显的优势，目前，长途干线大都釆用时分复用PCM的数字传输方式。因此，现在的模拟线路就基本上只剩下从用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线上。

2、现代电信网，在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。光纤的高带宽适用于承载今天的高速率数据业务(比如视频会议)和大量复用的低速率业务(比如话音)。

3、美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network)o整个的同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟(通常釆用昂贵的锚原子钟，其精度优于±lxl0^(-11))。国际电信联盟ITU-T (International Telecommunication Union) 以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列SDH (Synchronous Digital Hierarchy).SDH/SONET标准的制定，使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在 STM-1等级上获得了统一。各国都同意将这一速率以及在此基础上的更高的数字传输速率作为国际标准。这是第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。现在SDH/SONET标准已成为公认的新一代理想的传输网体制，因而对世界电信网络的发展具有重大的意义。 SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

2.6宽带接入技术

1、目前“宽带”尚无统一的定义。很早以前，有人认为只要接入到互联网的速率远大于56 kbit/s就是宽带。后来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。2015年1月，美国联邦通信委员会FCC又对接入网的“宽带”进行了重新定义，将原定的宽带下行速率调整至25Mbit/s,原定的宽带上行速率调整至3Mbit/s。从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类。一类是有线宽带接入，而另一类是无线宽带接入。

2.6.1 ADSL 技术

1、非对称数字用户线ADSL （Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。 ADSL技术把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ITU的标准是G.992.1（或称G.dmt）。由于用户在上网时主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不太大，因此ADSL的下行（从ISP到用户）带宽都远远大于上行（从用户到ISP）带宽。“非对称”这个名词就是这样得出的。

2、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）。此外，ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

3、ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有许多种。我国目前釆用的方案是离散多音调DMT （Discrete Multi-Tone）调制技术。

4、DMT调制技术釆用频分复用的方法，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，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。

5、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。这样就使ADSL能够选择合适的调制方案以获得尽可能高的数据率。可见ADSL不能保证固定的数据率。

6、基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM （DSL Access Multiplexer）,用户线和用户家中的一些设施。

7、并不适合于企业。这是因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户。为了满足企业的需要，ADSL 技术有几种变型。例如，对称DSL,即SDSL (Symmetric DSL),它把带宽平均分配到下行和上行两个方向。还有一种使用一对线或两对线的对称DSE叫做HDSL (High speed DSL),是用来取代T1线路的高速数字用户线。

8、还有一种比ADSL更快的、用于短距离传送(300〜1800 m)的VDSL (Very high speed DSL),即甚高速数字用户线，这也就是ADSL的快速版本。

9、不同的高速DSL都可记为xDSL。

10、华为公司于2012年首先研制成功Giga DSL样机，实现了超高速的DSL接入。华为的Giga DSL使用时分双工TDD (Time Division Duplex)和OFDM技术，有效地降低了辐射干扰和设备功耗，在100 m内上下行总速率可达 1 Gbit/s,而在200 m内，接入速率可超过500 Mbit/s。

2.6.2光纤同轴混合网(HFC网)

1、光纤同轴混合网(HFC网，HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写)是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。最早的有线电视网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它釆用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传输。但以后有线电视网进行了改造，变成了现在的光纤同轴混合网(HFC网)。

2、光纤同轴混合网HFC的主要特点如下：（1）为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。（2）光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)。在光纤结点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。连接到一个光纤结点的典型用户数是500左右，但不超过2000。（3）原来的有线电视网的最高传输频率是450 MHz,并且仅用于电视信号的下行传输。但现在的HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带。

3、要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，需要把一个叫做机顶盒(set.top box)的设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间。但为了使用户能够利用HFC网接入到互联网，以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息，我们还需要增加一个为HFC网使用的调制解调器，它又称为电缆调制解调器(cable modem)。

4、电缆调制解调器不需要成对使用，而只需安装在用户端。电缆调制解调器比ADSL使用的调制解调器复杂得多，因为它必须解决共享信道中可能出现的冲突问题。在使用ADSL 调制解调器时，用户计算机所连接的电话用户线是该用户专用的，因此在用户线上所能达到的最高数据率是确定的，与其他ADSL用户是否在上网无关。但在使用HFC的电缆调制解调器时，在同轴电缆这一段用户所享用的最高数据率是不确定的，因为某个用户所能享用的数据率大小取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。

2.6.3 FTTx 技术

1、光纤到户FTTH (Fiber To The Home)，就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。这样做就可以使用户获得最高的上网速率。

2、光纤到户FTTH有两个问题：首先是目前的价格还不够便宜；其次是一般的家庭用户也并没有这样高的数据率的需求。因此，出现了多种宽带光纤接入方式，称为FTTx,表示Fiber To The…。这里字母x可代表不同的光纤接入地点。FTTx就是把光电转换的地方，从用户家中(这时x就是H)向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。

3、为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN (Optical Distribution Network),使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。无源的光配线网常称为无源光网络PON (Passive Optical Network)。光配线网釆用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。无源光网络PON的种类很多，但最流行的有以太网无源光网络EPON （Ethernet PON）和吉比特无源光网络GPON 。

4、光线路终端OLT (Optical Line Terminal)是连接到光纤干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的1:N光分路器(splitter),然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU （Optical Network Unit）发送。从ONU到用户的个人电脑一般使用以太网连接，使用5类线作为传输媒体。

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