计算机网络—物理层—讲义.pdf

第二章物理层简介?物理层处于网络模型的最底层，它为网络定义了 机械、电气和时序的接口?物理层的主要任务：确定与传输媒体接口的一些 特性，即 （1）机械特性，指明接口所用接线器的形状和尺 寸、引脚数和排列、固定与锁定装置 （2）电气特性，在接口电缆上的哪条线上出现的电 压范围 （3）功能特性，指明某条线上出现的某一点平的电 压表是何种意义 （4）规程特性，各种可能事件的出现顺序简介?主要内容?数据传输的理论分析?讨论三种传输介质?有导向（铜线和光纤）?无线?卫星?讨论三个通信系统?固定系统?移动系统?有线电视系统2.1 数据通信的理论基础2.1.1 傅立叶分析?通过某种物理特性（电压或电流）的变 化，可以路上传输信息?可以用以时间t为自变量的单值函数f(t)表示 电压或电流的值，从而对信号的行为建模111( )sin(2)cos(2)2nn nng tcanftbnftππ∞∞===++∑∑?f = 1/T 基频?an和bn是n次谐波的正弦和余弦振幅?c为常量002( )sin(2)2( )cos(2)TnTnag tnft dtTbg tnft dtTππ==∫∫02( )Tcg t dtT=∫2.1.2 有限带宽的信号?所有的传输设施在传输过程中都会损失一些能量?传输设施对不通傅立叶分量的衰减不相同，导致信号变 形。

从0到某一个频率fc（Hz）这一段范围内，振幅在传输过 程中不会衰减，而在fc之上的频率所对应的振幅则会有不 同程度的衰减，传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频 率范围称为传输设施的带宽（bandwidth）?通常带宽是指从0到某一个能保留一半能量的频率处?带宽带宽是传输介质的一种物理特性，取决于介质的材料、厚 度和长度ASCII字符“b”编码为8位 （bit）的字节（byte）， 被传输为“01100010”?平方根振幅1[cos(/4)cos(3/4)cos(6/4)cos(7/4)]1[sin(3/4)sin(/4)sin(7/4)cos(6/4)]3/4nnannnnnbnnnnn cππππππππππ=−+−=−+−=22 nnba +2.1.3 信道的最大数据传输速率?奈奎斯特定理：对于一个理想的无噪声带宽为 H的低通滤波器，最大数据传输率为?香农定理：一条带宽为H（Hz）、信噪比为 S/N的有噪声信道，最大数据传输率为2HlogS(=最大数据传输速率（1+ /N）位/秒）22Hlog(V=最大数据传输速率位/秒）2.2 有导向的传输介质2.2.2 双绞线?双绞线（twisted pair）：两根绝缘铜线以 螺旋状的形式绞在一起。

几乎所有的都是通过双绞线连接到交换局?双绞线可以延伸几公里而不需要放大?双绞线可以传输模拟信号和数字信号，其带宽 取决于铜线的直径和传输距离：几公里的传输 距离内可达几MbpsUTP（ Unshielded Twisted Pair，无屏蔽双绞 线 ）?3类（category 3）双绞线，16MHz?5类（category 5）双绞线，100MHz棕白棕白兰白橙白绿绿兰橙8 7 6 5 4 3 2 18 7 6 5 4 3 2 1Brown White/Brown Green White/Blue Blue White/Green Orange White/Orange568B:Connection standard: 568A/568B2.2.3 同轴电缆?很高的带宽，可以达到1GHz?很好的抗噪性能?仍然广泛的使用于有线电视和城域网中2.2.4 光纤?光纤传输系统?光源光脉冲?传输介质光纤?检测器光电转换?光纤传输的原理?光纤的分类?多模光纤?单模光纤?光纤的组成 玻璃、沙子?光纤的衰减?衰减的分贝数?用于光纤通信的三个波段：0.85、1.30、 1.55um，每个波段有25000～30000GHz带宽?光纤的色散?光纤的组成?光纤的连接?在连接器上终止，并插入到光纤接口中?机械手段结合?熔合?光源?LED（Light Emitting Diodes，发光二极管）?半导体激光?波长选择?Fabry-Perot干涉计?Mach-Zehnder干涉计?光信号的接收?光敏二极管?典型的响应时间是1ns（限制数据传输率为 1Gbps）?光纤网络?具有有源中继器的光纤环网?光纤网络 无源星型连接?光纤和铜线的比较?光纤vs铜线的优点?光纤具有宽的多的带宽?每公里衰减低?不受电源震荡、电磁波干扰，不受空气中腐蚀化学 物质侵蚀的影响?对公司的吸引力：细，重量轻，便宜?安全性?光纤vs铜线的缺点?对光纤的处理需要较高的操作技能?过度弯曲容易造成光纤损坏?单工?接口成本高2.3 无线传输2.3.1 电磁波谱?电子的运动产生电磁波?电磁波可以在空气中传播?电磁波每秒钟振动的次数称为它的频率f?相邻两个波峰（或波谷）间的距离称为它 的波长λ?光速?c = λf?电磁波的带宽?一般将功率集中在窄频带上传输?扩频通信?跳频扩频?直接序列扩频22dfc d cfλλ λ λ= −ΔΔ =2.3.2 无线电传输?容易产生，可以长距离传输，易于穿透建 筑物，全方向?特性和频率相关：低频部分，穿透性好， 但单位距离衰减大。

频率越高，越倾向于 直线传播，穿透性变差，单位距离衰减 小在VLF/LF/MF波段，无线电波沿地面传输?在HF/VHF波段，地面波被地球吸收，到达 电离层（距地表100~500km）的波可以被 电离层折射回来（远距离通信）2.3.3 微波传输?在100MHz以上的频段内，电波几乎按直线传 播微波系统微波塔越高，微波能走的距离越远塔高100m则 中继器间的距离可以为80km微波对建筑物的穿透力不好多径衰落（multipath fading）?一直到10GHz的频带都被利用，4GHz左右，微 波会被雨水吸收优点：相对便宜?电磁波谱政策?ITU-R WARC 协调频率分配方案?The ISM（Industrial, Scientific, Medical， 工业的，科学的，医药的）?非授权?小功率?扩频2.3.4 红外线和毫米波?广泛用于短距离通信?方向性?便宜，易于制造?不能穿透墙壁?使用无需经过政府许可2.3.5 光波传输?讲两个建筑物中的LAN通过屋顶上安装激光 连接起来?单项，两端都需要激光发生器和光检测器?低成本，高带宽?安装简单，无需政府许可?弱点?激光的强度?不能穿透雨和雾，气流也可以影响系统2.4 通信卫星?人造卫星，天空中的微波中继站?多个异频发射应答器?每个异频发射应答器监听频谱的一部分，对进 来的信号进行放大，再在另一个频率上重新发 送出去?向下波束的覆盖范围?轨道周期随着轨道半径的3/2次幂变化?范艾伦带2.4.1 地球同步卫星?GEO（Geostationary Earth Orbit，地球同 步轨道），赤道轨道上方35,800km高度?同步卫星之间的距离不能小于2°，ITU负 责分配轨道槽?频率分配?异频发射应答器之间：频分复用?每个异频发射应答器上：时分复用?VSAT（Very Small Aperture Terminals， 小孔终端）?天线小（1m左右）?功耗小（1W左右）?上行链路19.2kbps，下行链路512kbps?通信卫星的一些特点?端到端延迟比较长（典型270ms）?天生的广播介质?传输一跳消息的成本和经过的距离无关?错误率极低?部署快速2.4.2 中间轨道卫星?中间地球轨道（Medium-Earth Orbit）?轨道周期大约 6小时?尚未应用于通信领域?GPS（Global Positioning System，全球定 位系统）2.4.3 低轨道卫星?LEO（Low-Earth Orbit，低地球轨道）?铱计划?66颗低轨道卫星?离地高度750km?提供语音、数据等服务?卫星之间交换?Globalstar?Teledesic?Teledesic通信卫星系统定位于提供全球化的，高带宽 的internet服务，计划为每位用户提供上行100Mb/s， 下行720Mb/S的带宽，而每位用户则使用一个小的， VSTA天线完成，它设计使用288颗卫星，排列成为12 平面，位于距地高度1350KM。

2.4.4 卫星vs.光纤?卫星同样可以提供很高的带宽?对移动通信的支持?对广播式信息的发布?恶劣地形或地面设施很差的地区?难于获得路权的地区?快速部署网络2.5 公共交换网络PSTN2.5.1 系统结构?公共交换网络（ Public Switched Telephone Network，PSTN）?系统的结构?全连接->中心控制->多层分级?系统的三个主要部件?本地回路（双绞线，模拟信号）?干线（光纤，数字信号）?交换局（干线间的交换）?数字vs.模拟?数字信号更容易再生，更适合承载多媒体业 务，高速率，低成本，更容易维护2.5.3 本地回路：调制解调器， ADSL和无线?传输线路的三个主要问题?衰减（attenuation）：信号在传输过程中的能 量损失（DB/km），和频率相关延迟畸变（delay distortion）：信号不同频率 的傅立叶分量路上的传播速度不同噪声（noise）：一些来自于非发射器的多余能 量（热噪声、串扰、脉冲噪声等）?当计算机希望通过模拟线路传送数字数据 的时候，必须将数据转换成模拟的形式?方波具有很宽的频谱，因而衰减和延迟畸变很 严重?基带信号不适合，必须进行模拟调制?载波（wave carrier）：1000~2000Hz的正 弦波?调制方式?调幅（amplitude modulation）：使用两种（或 多种）不同的振幅代表数字信息?调频（frequency modulation）：使用两种不 同的频率?调相（phase modulation）：通过改变载波的 相位?多种调制方式可以组合使用，以达到每次 采样尽量表达更多的信息。

调制解调器（modem）：一个设备接受一个位序 列作为输入，并且产生一个经过以上任意一种 （或多种）方法调制的载波输出（或相反）?波特率：每秒钟采样的次数，单位波特（baud）?一个波特承载一个码元（symbol），波特率和码 元率相同?一个码元可以包含多个位（e.g. Quadrature Phase Shift Keying，QPSK，正交相移键控）?波特率越高，数据传输的速度越高，但是受到奈 奎斯特准则的限制?几个重要的概念?带宽：是介质的一种物理特性，指在最小衰减 的情况下能够通过这种介质的频率范围，通常 是从0到某一个最大的频率，单位是Hz波特率：每秒钟的采样次数，单位Baud?位传输速率：指一条信道上发送的信息的数 量，取决于每秒的采样次数（波特率）和每个 采样的位数（取决于调制技术），对于无噪声 的理想信道，位传输速率等于波特率*每个采样 的位数（奈奎斯特准则）?为了在每个波特中传输尽可能多的位，多 种调制方法可以组合使用?QPSK?QAM-16（Quadrature Amplitude Modulation，正交振幅调制）?QAM-64?标准调制解调器，通常采用2400波特的采 样速率?V.32：32个星座点（32-QAM），每个码元传 输4个数据位和1个校验位，速率 2400*4=19600bps?V.32 bis：128个星座点（128-QAM），每个 码元传送6个数据位和1个校验位，速率 2400*6=14,400bps?V.34：每个码元传送12个数据位，速率 2400*12=28.8kbps?V.34 bis：每个码元传送14个数据位，速率 2400*14=36.6kbps?所有的调制解调器都是全双工的（full- duplex）?标准的调制解调器截止于33.6kbps?系统的香农限制是35kbps（与本地回路的 平均长度和这些线路的质量有关）?计算机~ISP1间存在两个本地回路：源端本地 回路和目的端本地回路?去掉一个（目的端）的本地回路，端到端。