02 物理层.pptx

第1页：第2章物理层章节封面

物理层的地位

OSI模型中的最低层，它是建立在通信介质的基础之上，是计算机与通信介质之间的接口。

物理层的作用

将计算机中应用的数据（比特流）变换成适合于通信介质的传输信号形式，通过通信介质将蕴含了数据的信号传输到其他节点，并将数据从信号中提取出来。

• 物理层概念

第2页：物理层概念

• 实际网络的数据传输方式与多种因素有关：
• 物理连接方式：点对点，多点连接或广播连接
• 传输媒介的种类：双绞线，同轴电缆，光缆，架空明线，对称电缆，各个波段的无线信道
• 传输模式：串行，并行，同步，异步等
• 实际采用的传输方式种类繁多，差别巨大。这些差别由物理层负责解决，其他高层不必考虑这些差异。所以说，物理层对上层屏蔽（掩盖）了实际网络的差异。
• 各种传输方式的实现主要由各种硬件接口完成

第3页：物理层概念

• 模型中定义的物理层特性是各种硬件接口共同具有的特性，是硬件接口生产商必须遵守的。
• 物理层特性描述：(1)机械特性(2)电气特性(3)功能特性(4)规程特性

第4页：物理层特性描述

机械特性

说明接口所用接线器的形式、尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。

电气特性

说明在接口线缆的哪条线上出现的电压应在何种范围之内，即什么样的电压表示1，什么样的电压表示0。主要考虑信号的大小和参数、电压和阻抗的大小、编码方式等。

功能特性

主要考虑每一条信号线的作用和操作要求，说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

规程特性

主要考虑利用接口传送比特流的整个过程中，各种可能事件的执行和出现的顺序。

第5页：对物理层概念的解释

• 物理层不是指连接计算机的具体物理设备和传输介质。数据链路层使用物理层提供的服务，而不必关心具体的物理设备和传输介质，只需考虑如何完成本层服务和协议。换言之，物理层在数据链路层和物理介质中间起到屏蔽和隔离作用。
• 物理层标准并不完善。它不考虑物理实体、服务原语及物理层协议数据单元，而重点考虑物理层服务数据单元，即比特流、物理连接等。

第6页：通信基础知识（1）

通信系统模型信源变换器信道反变换器信宿噪声源信源：信息的发出者。信息：简而言之就是一种要表达的意思和内容。变换器：将信息加载到信号中。信道：信号的传送通道。反变换器：将信息从信号中提取出来。信宿：信息的接收者。通信系统中传递的实体是信息的载体----信号，信源要传递的是信息，信息只能依靠信号进行传递。信号的种类：语言、文字、图象、手势、信号灯、信号弹、灯光、电信号等。狭义的通信系统以及计算机网络中，传递的信号都是电信号。

第7页：通信基础知识（2）

模拟信号

在时间和幅度上都连续的信号。

数字信号

在时间和幅度上都离散的信号。501234(b)数字信号(a)模拟信号图2-1模拟信号和数字信号

• 电信号分为模拟信号和数字信号

第8页：通信基础知识（3）

• 数字信号和模拟信号相比，具有抗干扰能力强、可以再生中继、便于加密、易于集成化等一系列优点。
• 采用模拟信号的系统有：电话、广播电台、电视等，采用数字信号的系统有：数字通信、数字电视、计算机系统、计算机网络等。
• 早期发明的系统采用模拟信号，发明较晚的系统一般采用数字信号。随着数字通信技术的成熟，越来越多的早期的系统也用数字技术进行改造。

第9页：通信基础知识（4）

• 信号的频谱与带宽
• 任何信号都有频率分量，信号越复杂、波形越剧烈，频率分量越多。
• 将信号所有的频率分量在频率域列出，就得到信号的频谱。将信号进行傅立叶变换，就可得到信号的频谱函数
• 信号最高频率与最低频率的差值就是信号带宽AtAfB

第10页：通信基础知识（5）

• 信道的截止频率与带宽
• 信道是信号的传送通道，但信道对信号不同频率分量的传送能力不同，对有些频率分量不衰减，对有些频率分量则衰减较大甚至完全衰减掉。
• 信道对频率分量的衰减是有规律的，一般为下面两种情形fcf0.707Af2f1f0.707A(a)低通滤波器(b)带通滤波器图2-3信道截止频率

第11页：通信基础知识（6）

• 通信基础知识（6）
• 从最高点衰减到一定程度（0，最高点的0.5倍或0.707倍)所对应的频率为（上、下）截止频率。
• 截止频率与0或者上、下截止频率的差值为信道带宽。

第12页：通信基础知识（7）

• 信道的最大数据传输率
• 信道在单位时间内能传输的二进制位数被称为数据传输率。数据传输率的提高意味着传输每一位所占用的时间的减小。
• 信道的数据传输率相当于运输工具的载重量，传送的信号数据量相当于运输工具所运的货物。显然一次所能运输的货物量受限于运输工具的载重量；一次所能传输的信息量同样受限于信道的最大数据传输率。
• 通信理论已经证明，通信系统的最大数据传输率最理想的情况下，为信道带宽的2倍，也就是每秒钟可以传递2B个二进制位数。宽带网络B值远高于一般网络，所以宽带网络速度快。
• 在实际应用中，由于达不到理想的情况，实际数据传输率达不到2B。

第13页：传输介质

• 传输介质通常分为有线介质(或有界介质)和无线介质(或无界介质)。
• 有线介质将信号约束在一个物理导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等；
• 无线介质则不能将信号约束在某个空间范围之内。

第14页：双绞线（1）

双绞线(Twisted Pair，TP)是目前使用最广、相对廉价的一种传输介质。它是由两条相互绝缘的铜导线组成，导线的典型直径为1毫米(0.4～1.4毫米之间)。这两条线扭绞在一起，可以减少对邻近线对的电气干扰。图3-1双绞线

第15页：双绞线（2）

• 几乎所有的电话机都是通过双绞线接入电话系统
• 双绞线既可以传输模拟信号，又可传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据传输率与电缆的长度有关。在几公里的范围内，双绞线的数据传输率可达10Mbps，甚至100Mbps，因而可以采用双绞线来构造价格便宜的计算机局域网。

第16页：双绞线（3）

• 对于双绞线的定义有两个主要来源。一个是美国电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA)的远程通信工业分会(Telecommunication Industries Association，TIA)；另一个是IBM公司。
• EIA负责“Cat”(即“Category”)系列非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair，UTP)标准。IBM负责“Type”系列屏蔽双绞线标准，如IBM的Type1、Type2等。
• 电缆标准本身并未规定连接双绞线电缆的连接器类型，然而EIA和IBM都定义了双绞线的专用连接器。
• 对于Cat3、Cat4和Cat5来说，使用RJ-45(4对8芯)，遵循EIA-568标准；对于Type1电缆来说，则使用DB9连接器。
• 大多数以太网在安装时使用基于EIA标准的电缆，大多数IBM及令牌环网则使用符合IBM标准的电缆。

第17页：同轴电缆（1）

• 同轴电缆(Coaxial Cable)中的内外导体等材料是共轴的，同轴之名由此而来。
• 外导体是一个由金属丝编织而成的圆形空管，内导体是圆形的金属芯线。内外导体之间填充绝缘介质。

第18页：同轴电缆（2）

• 同轴电缆内芯线的直径一般为1.2～5毫米，外管直径一般为4.4～18毫米。内芯线和外导体一般采用铜质材料。同轴电缆可以是单芯的，也可以将多条同轴电缆安排在一起形成同轴电缆。
• 广泛使用的同轴电缆有两种：一种是阻抗为50Ω的基带同轴电缆，另一种是阻抗为75Ω的宽带同轴电缆。

第19页：同轴电缆（3）

• 当频率升高时，外导体的屏蔽作用加强，因而特别适用于高频传输。一般情况下，同轴电缆的上限工作频率为300MHz，有些质量高的同轴电缆的工作频率可达900MHz。因此，同轴电缆具有很宽的工作频率范围。
• 当用于数据传输时，数传率可达每秒几百兆比特。
• 由于同轴电缆具有寿命长、频带宽、质量稳定、外界干扰小、可靠性高、维护便利、技术成熟等优点，而且其费用又介于双绞线与光纤之间。
• 同轴电缆在闭路电视传输系统中一直占主导地位。

第20页：光纤（1）

• 随着光通信技术的飞速发展，现在人们已经可以利用光导纤维来传输数据，以光脉冲的出现表示“1”，不出现表示“0”。
• 可见光所处的频段为108MHz左右，因而光纤传输系统可以使用的带宽范围极大。目前的光纤传输技术可使人们获得超过50000GHz的带宽，且还在不断地提高。
• 当前实际使用的10Gbps限制是因为光/电以及电/光信号转换的速度跟不上。
• 今后将有可能实现完全的光交叉和光互连，即构成全光网络，到那时网络的速度将增长上万倍。

第21页：光纤（2）

光传输系统利用了一个简单的物理原理：当光线在玻璃上的入射角大于某一临界值时，光线将完全反射回玻璃，而不会漏入空气，这样，光线将被完全限制在光纤中，而几乎无损耗地传播。

第22页：光纤（3）

光纤呈圆柱形，含有纤芯和包层，纤芯直径约5~75微米，包层的外直径约为100～150微米，最外层的是塑料，保护纤芯。纤芯的折射率比包层的折射率高1%左右，这使得光局限在纤芯与包层的界面以内，并保持向前传播。

第23页：光纤（4）

• 任何以大于临界值角度入射的光线，在介质边界都将按全反射的方式在介质内传播，而且不同的光线在介质内部将以不同的反射角传播，即认为每一束光线都有不同的模式。
• 如果纤芯的直径较粗，则光纤中可能有许多种沿不同途径同时传播的模式，通常将具有这种特性的光纤称为多模光纤(Multi-mode Fiber)；
• 如果将光纤纤芯直径减小到光波波长大小的时候，光在光纤中的传播没有多次反射，这样的光纤称为单模光纤(Single-mode Fiber)。

第24页：光纤（5）

光纤通信的优点是频带宽、传输容量大、重量轻、尺寸小、不受电磁干扰和静电干扰、无串音干扰、保密性强、原材料丰富、生产成本较低。因而，由多条光纤构成的光缆已成为当前主要发展和应用的传输介质。

第25页：信号调制技术

• 信号调制
• 计算机及其网络通信设备中使用的都是数字信号。数字信号传输距离很短，如打印机电缆一般为2米、3米，最多为5米。因此数字信号直接用来传输，距离有限。需要远距离传输，在信号传递前要进行调制。
• 一般，高频信号能够传输更远的距离。调制是指将要传输的信号加载到一个被称为载波的高频信号中，形成调制信号。调制信号是高频信号，能够传输很远。+=传输信号载波调制信号

第26页：信号调制技术（3）

信号调制技术3.常用的调制技术有：调幅，调频，调相。调幅：就是使载波信号的幅度值随传递信号而变化。调频：就是使载波信号的频率随传递信号而变化。调相：就是使载波信号的相位随传递信号而变化。

第27页：多路复用

多路复用

多路信号同时使用同一线路

多路复用的好处

提高线路利用效率。

多路复用的方法

传输前，将多路信号合成为一路；传输后，将一路信号还原成多路信号。

常见的方法有两种

频分多路复用时分多路复用

第28页：频分多路复用

一般，信道带宽远大于信号带宽。将信号带宽用调制的办法依次搬到高频区域，占据信道带宽的每一部分，形成一路宽带信号进行传输，叫频分多路复用。合成分解ffffffff

第29页：电话系统的频分多路复用

• 一路电话的标准频带：0.3kHz~3.4kHz，超出该范围的频率分量被衰减掉
• 每一路电话分配4kHz，利用频率变换，将3路电话搬到频段的不同位置，就形成了带宽为12kHz的频分多路复用信号
• 目前，一根同轴电缆上实现了上千路电话的同时传输。

第30页：CCITT建议的频分多路复用等级

CCITT建议的频分多路复用等级：下表列出相关数据。

第31页：时分多路复用

信道带宽越大，单位时间内可传输的比特数越多，数据传输的越快，信道的空闲时间越多。将多路信号分时传输，可减少信道的空闲时间，提高信道利用率。这叫时分多路复用。111222333ttttttt123123

第32页：电话系统的时分多路复用

• 奈奎斯特准则：带宽为B的模拟信号，每秒等间隔传输2 B采样点，接收方就可完全恢复模拟信号
• 带宽为4kHz的电话信号，每秒采样8k次，采样值用8位二进制数表示，则一路电话需要的数据传输率为8x8=64Kbps
• 24路电话复用，依次传输，24个采样点+一个间隔，共24x8+1=193比特，每秒采样8k次，则24路电话需要的数据传输率为193x8k=1.544Mbps
• 24路电话复用一条1.544Mbps主干线路被称为T1标准

第33页：T1至T4信道复用关系

T1至T4信道复用关系：下表列出相关数据。