Chapter2 物理层

物理层的基本概念

主要任务

新版：

  • 在传输介质上完成比特流的传输

旧版：

  • 将原始的比特流从一台机器上传输到另一台机器上。
  • 确定与传输媒体的接口特性：机械、电气、功能、规程

四个特性

  • 机械特性
    • 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
    • 在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
  • 功能特性
    • 某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
  • 过程特性
    • 对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)

数据通信的基础知识

数据通信系统

image-20250523155249334

数据通信系统可划分为三大部分

  • 源系统（或发送端、发送方）
    • 源点（源站或信源）
      • 产生要传输的数字比特流
      • 例如：从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流
    • 发送器
      • 编码源点生成的数字比特流，使其能够在传输系统中进行传输
      • 典型的发送器就是调制器
      • 现在使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户看不见
  • 传输系统（或传输网络）
    • 可以是简单的传输线
    • 也可以是复杂网络系统
  • 目的系统（或接收端、接收方）
    • 接收器
      • 解调来自传输线路上的模拟信号，还原出发送端产生的数字比特流
      • 典型的接收器就是解调器
    • 终点（目的站或信宿）
      • 从接收器获取传送来的数字比特流， 然后把信息输出
      • 例如：把汉字在计算机屏幕上显示出来

数据，信号与码元

  • 数据

    • 运送消息的实体

    • 使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列

  • 信号

    • 数据的电气或电磁表现

    • 模拟信号（即连续信号）

      • 特点是代表消息的参数的取值是连续的

      • 当我们打电话时，模拟数据(声波)通过电话机的话筒后，变成了连续变化的电信号(拟信号)。

    • 模拟数据（即连续数据）

      • 数据的变化是连续的
      • 我们人说话的声音数据(声波)就是连续变化的

    • 数字信号（即离散信号）

      • 特点是代表消息的参数的取值是离散的
    • 数字数据（即离散数据）
      • 数据的变化是不连续的(离散的)
      • 例如，计算机键盘输出的就是数字数据。但在经过调制解调器后，就转换成模拟信号(连续信号)了

  • 码元

    • 在使用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
    • 数字通信中数字信号的计量单位，用一个固定时长的信号波形表示一位k进制数字。时长内的信号称之为k进制码元，时长称之为码元宽度

信源，信道与信宿

数字通信系统主要划分为信源、信道和信宿。

  • 信源是产生和发送数据的源头

  • 信宿是接受数据的终点

  • 信道：

    • 向某一个方向传输信息的媒体
    • 信道是信息的传输介质
    • 分为模拟信道和数字信道（传输信号形式）、有线信道和无线信道（传输介质）

信道上传送的信号：

  • 基带信号/基本频带信号

    • 来自信源的信号（图中的PC机）
    • 基带信号将数字信号1和0用两种不同电压表示，然后送到数字信道上传输
    • 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
    • 包含较多的低频分量， 甚至有直流分量， 信道并不能传输

  • 带通信号

    • 基带信号经过载波调制后，信号的频率范围搬移到较高的频段以便在模拟信道中传输
    • (即仅在一段频率范围内能够通过信道)

数据传输方式

  • 串行传输

    • 数据在传输时是逐个比特按照时间顺序依次传输的

  • 并行传输

    • 数据在传输时采用了n个并行的信道。
    • 在每一个信道上，数据仍然是串行传的，即逐个比特按照时间顺序依次传输
    • 但把这n个信道放在一起观察时，就可看出，数据的传输是每次n个比特

通信双方的信息交互方式：

  • 单向通信/单工通信
    • 一条信道
    • 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
    • 无线电广播、有线电广播以及电视广播

  • 双向交替通信/半双工通信

    • 两条信道
    • 通信的双方都可以发送/接收信息，但不能双方同时发送/接收
    • 一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来

  • 双向同时通信/全双工通信

    • 两条信道，两个方向
    • 通信的双方可以同时发送和接收信息

速率、波特和带宽

  • 速率：数据传输速率

    码元传输速率：又称波特率，表示单位时间内传输的码元数，单位是波特。码元速率与进制数无关。

    信息传输速率：又称比特率，表示单位时间内传输的二进制码元数（即比特数），单位是bit/s。

    若一个码元携带n比特的信息量，则波特率M Baud=nMb/s

    该码元所需的不同离散值为$2^n$个。

  • 带宽：信号所占据的频带宽度，表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率。单位是b/s（Hz）

    频率范围为3.5-3.9MHz，则带宽= 0.4MHz

image-20241230212228599

image-20241230212240899

奈奎斯特定理/香农定理

  • 信号失真问题
    • 信道上的三类损耗：衰减、延迟、噪声
    • 实际的信道：带宽受限、有噪声、干扰和失真
    • 码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、 噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重

  • 信道能够通过的频率范围

    • 一个信道所能通过的频率范围总是有限的，高频分量往往不能通过信道
    • 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限

  • 奈奎斯特(Nyquist)定理

    • 理想低通信道（无噪声）最大数据传输率

      (b/s)

      • H ——信道的频率带宽（单位为Hz）
      • V——信号电平的级数(信号的状态数)
      • 2H：一个带宽定义高低两个码元
      • log2V：信号的状态数编码成二进制

    • 任何信道码元传输速率有上限(2H)，超过上限会产生码间串扰

    • 信道的频带越宽，能够通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率传送码元

    • 如果要准确重建频率最高为 B Hz 的信号，它必须以至少 2BHz 的频率进行采样

    • （采样率必须大于或等于信号最高频率两倍的由来）

    • 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。

    • 如果要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量

  • 信噪比

    • 信号的平均功率与噪声的平均功率之比
    • 一般信号>>噪声
    • 信噪比 = (dB)

  • 香农公式

    • 信道的极限信息传输速率

      (b/s )

      • W：信道的频率带宽（单位为Hz）
      • S：信道内所传信号的平均功率
      • N：信道内部的高斯噪声功率

    • 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

    • 传输带宽和信噪比确定，信息传输速率上限确定

    • 信息传输速率低于信道极限传输速率，就能找到某种方法实现无差错传输。

    • 规定了信息传输速率的上限，实际信道能达到的传输速率要低很多

    • 从侧面表明，一个码元对应的二进制位数是有限的

image-20250524134012899

image-20250524134035192

在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位、每 个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据 传输速率是24kbps

只有在奈氏准则和香农定理中频率带宽才用Hz

注意是频率带宽，不是采样率，也不是波特率

已知采样率为B 最大数据传输速率 = B*log2V

编码与调制

把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码

基带调制/编码

  • 数字信号->基带信号

  • 对基带信号的波形进行变换， 使它能够与信道特性相适应

    image-20250523163814283

  • 不归零制： 正电平代表1, 负电平代表0

  • 归零制： 正脉冲代表l，负脉冲代表0

  • 曼彻斯特编码（以太网）：

    • 每个码元的中间都发生电平跳变，跳变既作为时钟信号（用于同步），也作为数据信号。
    • 可以用向下跳变表示1、向上表示0，或相反。

  • 差分曼彻斯特编码（局域网）：

    • 每个码元的中间都发生跳变。但是跳变只作为时钟信号，不表示数据
    • 每个码元开始处有电平跳变则为0，没有则为1。
    • 有更强的抗干扰能力

  • 曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码占用的频带宽度都是原始基带宽度的2倍

  • (带宽与波特率成正比)

    image-20241230211251615

image-20241230211320380

带通调制/载波调制

  • 基带信号->带通信号

image-20250523163416866

  • 调幅(AM)：振幅
  • 调频(FM)：频率
  • 调相(PM)：初始相位
  • 正交振幅调制QAM：振幅和相位

设波特率为 B，采用 m个相位，每个相位有n种振幅，则该 QAM 的数据传输速率R为 R= Blogr(mn)(单位为 b/s)

物理层下面的传输媒体

传输媒体/传输介质/传输媒介

数据传输系统中发送器和接收器之间的数据通路

导引型传输介质

双绞线、同轴电缆、光纤

双绞线(twisted pair)

  • 通过将两根绝缘铜线绞合，减少相互干扰
  • 分类
    • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)，有铜网（屏蔽层），使用少
    • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
  • 局域网/传统电话线
  • 价格便宜、便于安装、使用传输距离较短（因为无屏蔽层双绞线本身抗干扰能力有限）

image-20250523201700073

同轴电缆(coaxial cable)

  • 内导体，绝缘层，网状编织屏蔽层和塑料外层
  • 抗干扰能力和传输速率均高于双绞线，造价较高，大规模安装使用不便，带宽取决于电缆的质量
  • 在有线电视网的居民小区中
  • 广泛应用的同轴电缆分为2类
    • 50Ω同轴电缆
    • 75Ω同轴电缆 有线电视采用

image-20250523210455221

光纤(fiber optics)

  • 光纤由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成双层通信圆柱体

    image-20250227151813172

    image-20250523202916496

  • 分类

    image-20250523203132189

    • 多模(multi-mode)光纤
      • 多条不同入射角度的光线在一条光纤中传输，距离短，成本低
    • 单模(single-mode)光纤
      • 波导校园：光纤直径=光波波长，光纤成为波导，此时光线沿直线传播，不会反射

  • 优点

    • 通信容量非常大
    • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
    • 抗雷电和电磁干扰性能好
    • 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
    • 体积小，重量轻

  • 缺点

    • 安装较为复杂(光纤连接需专用设备)
    • 需光/电转换
    • 价格？价格本身变低了，但是安装成本依然高

  • 广泛应用于长途干线传输、局域网/城域网的干线、高带宽且高可靠的网络连接(如服务器)

非导引型传输介质

非导引型传输介质指可传播无线电波的自由空间

无线通信的适用场合

  • 偏远地区通信
  • 城市中敷设线缆较为困难的场合
  • 移动设备

无线频谱政策

  • 多数无线频段由政府管理和分配，需获得许可才能使用
  • 电磁波在空间中传播时相互影响，且无线频段范围有限
  • ISM频段：预留了无需许可即可免费使用的频段
    • ISM—-Industrial, Scientific, Medical
    • 限制：发射功率 < 1Watt
    • 极大地促进了短距离无线通信的应用
    • 使用ISM频段的设备：WLAN、Bluetooth、无线鼠标、无绳电话、…

主要分类：

  • 短波通信
    • 通过电离层反射，传输距离长，通信质量较差，传输速率低
  • 微波通信及卫星通信
    • 微波频率范围：300MHz—300GHz
    • 频率大于100MHz的电磁波几乎按直线传播，可使用抛物面状天线将能量聚集成束，从而获得极高信噪比
  • 地面微波通信
    • 长距离传输时，每隔一定距离需建立中继站，进行接力转发
    • 优点
      • 信道频段范围宽，容量大
      • 在无线通信中抗干扰能力较强
      • 与线缆通信相比，建设速度快、成本低
    • 缺点
      • 相邻站需直视，易受地理或建筑物影响
      • 有时受气候影响(雷电、太阳黑子爆发等)
      • 隐蔽性和保密性较差
      • 中继站维护需消耗人力物力
  • 卫星通信
    • 通过卫星进行微波信号转发
    • 优点：
      • 通信距离远、覆盖范围广
      • 通信容量较大
      • 易于实现广播通信、多址通信
    • 缺点：
      • 成本高、传播时延长、受气候影响大、保密性差、误码率较高
    • 地球同步卫星：
      • 传播时延较大，对于地球同步卫星单向时延达250—300ms
    • 低轨道卫星：
      • 卫星造价和发射成本低
      • 传输距离短，信号衰减小，可与地面手持设备通信
      • 时延较小
  • 红外通信
    • 红外通信易受天气和可见光影响
  • 激光通信
    • 激光通信容易被遮挡穿透力小，通常用于近距离或室内通信

信道复用技术

复用:一个信道上传输多路信号

FDM(frequency division multiplexing)频分复用

同一时间同时发送多路信号

  • 不同用户在同样的时间占用不同的频带资源

image-20250523213731456

TDM(Time Division Multiplexing)时分复用

将一条物理信道按时间分成若干时间片轮流地给多个用户使用

  • 将时间划分成一段段等长的时隙，每个用户使用等长的不同的时隙

  • 便于数字传输，如计算机中对CPU的多路复用

image-20250523213741762

STDM(Statistic Time Division Multiplexing)统计时分复用

一种改进的时分复用。是按需动态地分配时时隙

image-20250523224702237

WDM(Wave Division Multiplexing)波分复用

光的频分复用

专门用于光纤通信，由于光纤中光载波频率很高，人们习惯于使用波长来表示光载波

不同光纤上的光波信号复用到一根长距离传输的光纤上的复用方式。

image-20250523214315479

DWDM(Dense Wave Division Multiplexing)密集波分复用

使用可见光频谱的宽带特征

多路高速信号可以在单个光纤介质中同时传输，每路信号占用不同波长。

（就是比上面路多一点。。）

CDM(Code Division Multiplexing)码分复用

当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA

CDMA(Code Division Multiplexing Address)码分多址

是采用扩频的码分多址技术。用户可 以在同一时间、同一频段上根据不同的编码获得业务信道。

  • 使用扩频通信(Spread spectrum)方法，每bit转换成m bit码片
  • 码片：每一个比特时间划分为 m 个短的间隔 m=64/128
  • 码片序列：每个站分配一个唯一的mbit，各站的码片序列必须互相正交
  • 如果要发送比特1，则发送它自己的mbit 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

  • 例：S站码片序列是00011011

    • 发送比特1：发00011011
    • 发送比特0：发11100100

  • 用于无线通信，特别是移动通信系统

  • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，可防止监听

数字传输系统

脉码调制系统(PCM—Pulse Code Modulation)

  • 用于电话交换系统，在数字传输系统中进行多路话音的变换与传输
  • 话音由模拟->数字的变换：对模拟话音按周期进行采样和A/D变换
  • ==数字化的话音数据进行TDM==
    • 欧洲体制——-中国使用该体制
      • 每个时分复用帧包含32个时隙，其中2个用于同步和控制，30个用于传输话音数据，每 个时隙8bit。即有帧长度：32×8 = 256 bit
      • 8000×256 bit = 2.048 Mb/s，称为E1，可传输30路话音
    • 北美体制
      • 每个时分复用帧包含24个时隙，每个时隙8bit，其中1bit用做信令，7bit话音数据，每帧1bit同步。即有帧长度：24×8 + 1= 193 bit
      • 8000×193 bit = 1.544 Mb/s，称为T1，可传输24路话音

SONET(Synchronous Optical Network)同步光纤网

以分级速率从155Mb/s到2.5Gb/s 的光纤数字化传输的美国标准

支持多媒体多路复用，允许声音、视频和数据格式与不同的传输协议一起在一条光纤线路上传输。

SDH(Synchronous Digital Hierarchy)同步数字系列

SDH简化了复用和分用技术，需要时可直接接入到低速支路，而不经过高速到低速的逐级分用，上下电路方便。

image-20250523231203860

STM-1(Synchronous Transfer Module)第 1 级同步传递模块，SDH的基本速率，相当于SONET 体系中的OC-3速率。

OC-48(Optical Carrier)第 48 级光载波，是 SONET体系中的速率表示，对应于SDH的STM-16 速率，常用近似值2.5Gb/s

宽带接入技术

宽带接入泛指超越传统的modem+电话线拨号上网(最高56kbps)的技术

  • 基于电话线的xDSL

    • 在不改变“最后一英里”线路的前提下，通过改造现有的模拟电话用户线的传输方式，使其能够承载宽带业务

    • 最后一英里：通信运营商局端到家庭用户之间的本地回路

    • 分类：ADSL、HDSL、SDSL、VDSL

    • ADSL特点

      • 仍然使用现有电话线
      • 把0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用
      • 把高端频谱用作网络接入(用户上网)
      • 带宽非对称，即上行(用户->ISP)和下行(ISP->用户)带宽不同，适应普通用户上网特点(多运行浏览、下载等应用)

    • 结构

      image-20250304092717388

    • 频谱划分

      image-20250523231524254

  • 基于有线电视线的HFC (Hybrid Fiber Coax光纤混合同轴网)

    • 以有线电视网CATV为基础的宽带接入技术

      • 单向广播式传输→双向传输
      • 传输电视信号→传输电视、话音、数据
      • 以同轴电缆为主→光纤+ 同轴电

    • 主要特点

      • 主干线路采用光纤
      • 采用结点体系结构
      • 具有比CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能
      • 每个家庭要安装一个用户接口盒UIB
      • 提供三种连接：同轴电缆连接到机顶盒、双绞线连接到用户的电话机、电缆调制解调器连接到用户的计算机

      image-20250523231735931

  • 基于光纤传输的FTTx

    • FTTH(Fiber To The Home)：光纤到户
    • FTTB(Fiber To The Building)：光纤到大楼
    • FTTC (Fiber To The Curb)：光纤到路边
    • 目前用于光纤到户的技术：无源光网络PON—Passive Optical Network
      • 光纤配线网中无需供电，运营维护成本低；上下行使用波分复用
      • 种类：
        • 以太网无源光网络EPON
        • 吉比特无源光网络GPON

物理层设备

中继器

  • 主要功能：整形、放大并转发信号

  • 原理是信号再生=放大+整形

    放大器放大模拟信号

  • 中继器有两个端口，两端的网络部分是网段，而非子网

    使用中继器连接的几个网段依然是一个局域网

  • 中继器工作在物理层，所以不能连接两个具有不同速率的局域网

若某个网络设备有存储转发功能，则认为它能连接两个不同的协议，否则不能。

  • “5-4-3”规则：互相串联的中继器个数不能超过4个；4个中继器串联的5段通信介质中，只有3段可以挂接计算机。

集线器

  • 集线器实质上是一个多端口的中继器
  • 一个端口接收到数据信号后，对它进行再生，然后转发到其他所有端口
  • 如果同时有多个端口输入，就会发生冲突，数据全部无效
  • 信息传输的方向是固定的，是共享式设备
  • 只能在半双工状态下工作
  • 一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机，它们同时工作时，每台计算机真正拥有的带宽是1.25Mb/s
  • 使用双绞线组件共享网络

由集线器连接多台设备构成的网络在物理上和逻辑上的结构分别是

星形、总线形

题目

传统以太网是半双工的

【A】—-【S】—-【B】

设以太网中的A、B主机通过10Mbit/s的链路连接到交换机,每条链路的传播延迟均为20μs，S是一个存储转发设备,在它接收完一个分组后35μs开始转发收到的分组。试计算把10000bit从A发送到B所需要的总时间

(1)作为单个分组

(2)作为两个5000bit的分组一个紧接着另一个发送

(1) 10^4^/10^7^=10^-3^s=1000us

1000x2+20x2+35=2075us

(2)

5x10^3^/10^7^=10^-4^s=500us

500+500x2+20x2+35=1575us

image-20250524140823718

or

整个传输过程的总时延=连接建立时延(0)+源点发送时延(1000)+中间节点的发送时延(500)+中间节点的处理时延(35)+传播时延(40)

一个分组交换网采用虚电路方式转发分组，分组的首部和数据部分分别为h位和p位。现有L(L>p且L为p的倍数)位的报文通过该网络传送，源点和终点之间的线路数为 k，每条线路上的传播时延为d秒，数据传输速率为b b/s，虚电路建立连接的时间为s秒，每个中间节点有m秒的平均处理时延。求源点开始发送数据直至终点收到全部数据所需的时间

整个传输过程的总时延=连接建立时延+源点发送时延+中间节点的发送时延+中间节点的处理时延+传播时延

连接建立时延:s

源点发送时延:((h+p)xL/p)/b# 发送所有东西

中间节点的发送时延: (h+p)x(k-1)/b# 每个节点延时是发送单个分组的东西xk-1个节点

中间节点的处理时延：mx(k-1)# k-1个节点

传播时延：kd