1、第2章 物理层,基本内容：计算机网络物理层的基本概念，数据通信系统的模型、信道及其传输速率的计算，常用的传输媒体，信道复用技术，物理层的标准举例 。,计算机网络物理层的基本概念信道及其传输速率的计算信道复用技术,重点掌握：,2.1 物理层的基本概念,物理层考虑的是如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是传输媒体或物理设备本身。是设备间的物理接口和传输介质上无结构的比特流的传输规则。尽可能屏蔽传输媒体的差异。 现行的物理层协议的是通过规定DTE和DCE 之间物理接口特性的标准，来实现物理通路的连接和传输介质上无结构的比特流的传输。 DTE(数据终端设备):具有一定的数据处理能力以及发送和接受数据能
2、力的设备，如计算机。 DCE(数据电路端接设备):在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，并负责建立、保持和释放数据链路的连接，如MODEM。物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性：,（1）机械特性 接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。 （2）电气特性 接口电缆上各线的电压范围。 （3）功能特性 指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。 （4）规程特性 指明各种可能事件的出现顺序。,2.2 数据通信基础知识,2.2.1 数据通信的基本概念,数据（data）:是把事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述,是运送信息的实体。是对客观事实进行描述与记载的物理符号
3、。可以是数字、文字、语音、图形和图像。 信息：是人对现实世界事物存在方式和运动状态的某种认识。是数据的集合、含义与解释。如对一个企业当前生产各类经营指标的分析，可以得出企业生产经营状况的若干信息。 信号（signal）：是数据的具体的物理表现，具有确定的物理描述。数据的电气的或电磁的表现。,数据可分为模拟数据和数字数据。模拟数据取连续值，数字数据取离散值。在数据被传送之前，要变成适合于传输的电磁信号：或是模拟信号，或是数字信号。所以，信号（Signal）是数据的电磁波表示形式。模拟数据和数字数据都可用这两种信号来表示。,模拟数据：取某一区间内的连续值。 模拟信号：连续变化的物理量。 数字数据：
4、取某一区间内的有限个离散值。 数字信号：取几个不连续的物理状态来代表数字。,数据传输方式,信息可通过两种方式传输：模拟方式和数字方式，这两种方式均使用电压产生相应的信号。,模拟信号的一个优点是它能对细节进行表示，但是噪声、或来自其他源的干扰，会严重地影响模拟信号，比数字信号更易于出错，因此模拟信号对于数据发送并不是最佳选择。,一般说来，模拟数据和数字数据都可以转换为模拟信号或数字信号。因此我们有以下四种情况：(图中的PCM称为脉冲代码调制，是一种模拟数据数字化的方法）（1）模拟数据、模拟信号。（2）模拟数据、数字信号。（3）数字数据、模拟信号。（4）数字数据、数字信号。,基带和频带传输,在网络
5、中，数据的传输有两种传输方式：基带传输和频带传输,1、基带 原始电信号所固有的频带，称为基本频带，简称为基带。在信道中直接以基带信号进行传送，称为基带传输。基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高 电平表示“1”。 适用范围：低速和高速的各种情况。 限制：因基带信号所带的频率成分很宽，所以对传输线有一定的要求。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)。基带传输易受衰减影响，也就是一个数字信号随着它从源出发向远处传输时将逐渐损失能量。为了补偿信号损失，基带系统使用中继器
6、再生和放大信号，从而使数据传输的距离能超过电缆的最大段长度。一般来说基带系统是廉价的，而且安装简单。,注意： Ethernet 是典型的基带传输系统。在Ethernet 中网络中的每个设备都能通过电缆传输数据但一次仅只有一台设备可以传输数据。例如，假设保存一个文件到服务器，网络接口卡提交一个使用电缆的请求;如果当时没有其他设备使用电缆传输数据，工作站就可以立即开始传输。如果电缆正在使用中，你就必须等待，然后再试。,2、频带传输：采用模拟信号传送数据时，往往只占用有限的频带，称其为频带传输。信号被调制到不同频率范围。,频带传输：指在一定频率范围内的线路上，进行载波传输。用基带信号对载波进行调制，
7、使其变为适合于线路传送的信号。 调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。调制解调器MODEM（modulation-demodulation),2.2.2 数据通信系统的模型,数据通信系统的模型,一个 数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（发送端）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端）。,凡是将计算机或终端与数据传输线路连接起来，达到数据传输、收集、分配、存储、处理目的的系统数据通信系统,源站： 产生待传输的数据 发送器： 将信源产生的数据信号变换成适合在信道中传输的信号使信源和信道匹配。 发送设备的变换方式是多种多样的，在需要频谱
8、搬移的场合，调制是最常见的变换方式。对数字通信系统，发送设备常常又包括编码器与调制器。 传输系统：传输线路（可能是一条线路，也可能是一个网络系统） 接收器： 接收数据，完成发送设备的反变换， 即进行解调、译码、解码等。从带有干扰的接收信号中正确恢复出相应的原始基带信号来，对于多路复用信号，还包括解除多路复用，实现正确分路。 目的站： 将复原的原始信号转换成相应的数据。,调制与解调,调制：将数字数据转换为模拟信号的过程叫做调制。,解调：将模拟信号转换为数字信号的过程叫做解调。,2.2.3 信道及其传输速率,1、几个概念,信 道（channel）,信道和电路并不等同，信道一般表示向某一个方向传送信
9、息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。 信道按所传输的信号可分为模拟信道和数字信道，信道上传输的信号还有基带信号和宽带信号之分。,信号的传送通路，由线路及附属设备组成。,宽带信号是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。,通信双方的交互方式,单向通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。也称单工通信。在单工信道上信息只能在一个方向传送。发送方不能接收，接受方不能发送。信道的全部带宽都用于由发送方到接收方的数据传送。无线电广播和电视广播都是单工传送的例子。双向交替通信：一方发送，另一方接收，过一段时间后再反过来。但不能双方同时发送，也不能同时接收。也称半双工通信。在半
10、双工信道上，通信双方可以交替发送和接收信息，但不能同时发送和接收。在一段时间内，信道的全部带宽用于一个方向上的信息传递。航空和航海无线电台以及对讲机等都是这种方式通信的。这种方式要求通信双方都有发送和接收能力，又有双向传送信息的能力，因而比单工通信设备昂贵，但比全双工便宜。在要求不很高的场合，多采用这种通信方式。,双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也称全双工通信。 这是一种可同时进行信息的传递的通信方式。现代的电话通信都是采用这种方式。其要求通信双方都有发送和接收设备，而且要求信道能提供双向传输的双倍带宽，所以全双工通信设备较昂贵。,信道带宽：,带宽: W=f2-f1 单位为 HZ
11、 f1 是信道能通过的最低频率 f2 是信道能通过的最高频率 两者都是由信道的物理特性决定的。,信道的带宽指信道允许传输信号的频率范围，单位为Hz。信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的 倍的两个频率之间的区间宽度。为了使信号在传输中的失真小些，则信道要有足够的带宽。 它表示实际信道所能传输信号的频率范围。信道带宽由传输媒体和有关附加设备以及电路的频率特性综合决定。,对于信道传输数字数据则表示：数字信道的信息传输速率，单位为b/s。,码元：是时间轴上的一个信号编码单元。并用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。若信号码元宽度为T秒，则码元速率B=1/T，单位叫波
12、特。,数字信道是一种离散信道，它只能传输取离散的数字信号。信道的带宽决定了 信道中能不失真地传输的脉冲序列的最高速率。,码元携带的信息量由码元取的离散值个数决定。若码元取0和1两个离散值，则一个码元携带1比特（bit）的信息。若码元可取4个离散值，则一个码元携带2比特信息。一般的，一个码元携带的信息量n（比特）与码元取的离散值个数N具有如下关系：,码元：,通信系统的主要性能指标是有效性和可靠性。 有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，或者说是传输的“速度”。 可靠性是指接收信息的准确程度，也就是传输的“质量”。,2、通信系统的主要性能指标,数字通信系统的有效性和可靠性,有效性可用传输速
13、率来衡量。 码元传输速率 数字信号传输速率 可靠性可用差错率来衡量。 误码率（码元差错率） 误信率（信息差错率）,（1）码元速率（RB） 数字数据经线路编码后的传输信号在信道上的传输速率称为码元传输速率。它是指每秒传输的码元数，即每秒传输信号波形的变换次数，单位为：码元/秒，称为：波特（Baud） ，这是为了纪念电报码的发明者法国人波特（Baudot），故码元速率也叫波特率，或称作调制速率、波形速率、符号速率。例如，若1秒内传2400个码元，则传码率为2400B。 1波特为每秒传送1个码元。,对于模拟信号的传输，波特率是指调制解调器上输出的调制信号每秒钟调制载波状态改变的次数。 对于数字信号传
14、输，波特率是指线路上每秒钟传送的波形个数。,码元传输速率和信息传输速率之间的关系是：,C为信息传输速率 B为码元传输速率 M为码元状态数（M为2的整数次幂）,（2）信道上的最高码元传输速率下图给出了一个数字信号通过实际的信道和质量很差的信道时的输出波形。,随着信号的传播，信号能量会逐渐减少，这就是信号的衰减。模拟信号和数字信号存在着衰减。为了补偿衰减，要经常对数字信号和模拟信号进行转发，也即使将信号重新放大，以使它们传播得更远。,1、模拟信号的转发：在模拟信号转发过程中会出现这样的问题当它被转发时信号幅度将增强，同时伴随的被累积的噪声幅度也将增强，这种杂乱无章的增强将使得模拟信号变形更加严重。
15、下图显示了因噪声而变形并在随后又被放大的模拟信号的波形。,2、数字信号的转发：相对于模拟信号，数字信号被转发时，实际上是将原始信号以不变形的、并且无噪声的放大形式重新发送，该过程也被称之为波形再生。再生一个数字信号的设备被称之为中继器。,网络仅仅收发由精确脉冲所表示的1 和0 两种模式，因为数字传输要比依靠可变电压的模拟传输可靠得多，并且数字发送几乎不受噪声影响。所以大部分网络仅限于使用数字传输。也有使用模拟信号传输数据的情况：比如使用调制解调器连接两个系统。在发送端，调制解调器将数字信号调制成模拟信号，通过传输模拟信号的电话线传输；在接收端，调制解调器将模拟信号解调成数字信号。Modem (
16、调制解调器)是Modulator(调制)Demodulator(解调)。这个词反映了该设备的功能。,奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式：,信道的最高码元传输速率 2 W Baud,信道的最高码元传输速率奈奎斯特(Nyquist)公式,信道容量：信道的极限传输能力。用信道上的最高数据传输率来表示。,W 是理想低通信道的带宽。 表示：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。,是1924年贝尔实验室的研究员亨利奈奎斯特推导出在理想低通信道下有限带宽无噪声信道的极限波特率，称为奈氏定理。 奈氏定理指定的信道容量也叫奈氏极限，它由信道的物理特性决定。
17、超过奈氏极限传送脉冲信号是不可能的，超过了将会出现码元之间的相互干扰，以致在接收端无法正确判定发送方所发送的码元是1还是0。因此要进一步提高波特率，就必须改善信道的带宽。,理想带通信道：,信道的最高码元传输速率 W Baud,W 是理想带通信道的带宽。是上限频率f2-下限频率f1。 表示：每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率是每秒1个码元。,对于具有理想带通矩形特性的信道（带宽为W），奈氏准则变为：,具有理想低通特性的信道是理想化的信道，和实际使用的信道有相当大的差别，一个实际的信道所能传输的最高码元速率，要低于奈氏准则给出的上限数。波特和比特是两个不同的概念。,了解了这些概念后，我们要强调两
18、点：,Cmax=2Wlog2M(b/s),信道的极限数据率：,波特率（RB）和比特率（Rb）的比较,波特率是信道的码元传输速率单位，单位为：码元/秒。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。比特率是信息量的单位，是指每秒传输的数据（编码前的数字数据）的二进制位数。单位为比特每秒，即bit/s。 如果一个码元携带一个比特的信息，则信息传输率（bit/s）和码元传输率在数值上是相等的。如果一个码元携带 n 个比特的信息，则信息传输率是码元率的 n 倍。 每个码元通常都含有一定bit数的信息量，因此码元速率和信息速率有确定的关系，即: C= B log2 M (bps) M：调制信号的状态数
19、。 例若使1个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率 为 Mn (bps)。,例如，有一个带宽为3kHz的理想低通信道，其码元传输速率为6000baud。而最高数据速率可随编码方式的不同而有不同的取值。若1个码元能携带2bit的信息量，则最高的数据速率为12000bps（信道容量）。这些都是不考虑噪声的理想情况下的极限值。至于有噪声影响的实际信道，则远远达不到这个极限值。 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能够携带更多个比特的信息量。这就需要采用多元制（多进制）。,2、信道的极限信息传输速率香农(Shannon)公式
20、（信道容量）,（b/s）,W 为信道的带宽（Hz）； 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。 S/N 为信噪比。实际使用中，S与N的比值太大，故常取分贝(db)数。例如当=1000时，信噪比为30dB(信噪比（db=10log10（S/N）。 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。,香农（shannon）提出有高斯白噪声信道的极限数据速率用下述公式计算,香农公式与信号取的离散值个数无关，也即无论用什么方式调制，只要给定了信号和噪声的平均功率，则单位时间内最大的信息传输量就确定了。 例如，信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则最
21、大数据速率30009.9730000bps。这是极限值，只有理论上的意义。实际上在3000Hz带宽的电话线上，数据速率能达到9600bps就很不错了。 在有噪声的信道中，数据速率的增加意味着传输中出错的概率增加。 香农公式指出了：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。,下图说明了奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围,如果用一3V、一1V、1V和3V共4种电平表示不同的码元状态，对于4000 boud的信号传输速率，信息传输速率可以达到多少?如果使用8种码元状态呢?对于4000 boud的信号传输速率，信息传输速率可以达到 C=4000lo
22、g24=8000b/s； 如果使用8种码元状态，信息传输速率可以达到 C=4000log28=12000b/s。,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，即导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导向传输媒体就是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。下图是电信领域使用的电磁波的频谱。,2.3 物理层下面的传输媒体,计算机网络中采用的传输媒体的主要特性包括：,2.3.1 有线传输媒体,包括双绞线、同轴电缆、光缆等。,物理特性: 对传输介质物理结构的描述。
23、 传输特性: 传输数字信号还是模拟信号,以及调制技术、传输容量与传输的频率范围。 连通特性: 允许点点或多点连接。 地理范围: 最大的传输距离。 抗干扰性: 防止噪声与电磁干扰对传输数据影响的能力 。 相对价格: 器件、安装与维护费用。,（1）双绞线,物理特性：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起来就构成了双绞线。一对线可以作为一条通信线路,各个线对螺旋排列的目的是为了使各线对之间及周围的电磁干扰最小。电话系统中使用双绞线较多，差不多所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。从用户电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路(subscriber loop)。 局域网中所使用的
24、双绞线有:屏蔽双绞线，简称STP(Shielded Twisted Pair)和无屏蔽双绞线，简称UTP(Unshielded Twisted Pair)。,屏蔽双绞线是在一对双绞线外面有金属筒缠绕，有的还在几对双绞线的外层用铜编织网包上，均用作屏蔽，最外层再包上一层具有保护性的聚乙烯塑料。无屏蔽双绞线除少了屏蔽层外，其余均与屏蔽双绞线相同。,双 绞 线,传输特性：美国电气工业协会/电信工业协会（EIA/TIA） 将其定义为7种型号。局域网中常用第5类和第6类双绞线，它们都为无屏蔽双绞线，均由 4对双绞线构成一条电缆。5类双绞线传输速率可达1O0Mbps, 常用于局域网100Base-T的数据
25、传输或用作话音传输等。6类双绞线比5类双绞线有更好的传输特性，传输速率可达 1000Mbps, 可用于100Base-T、1000Base-T等局域网中。7类双绞线也可用于1000Base-T、千兆以太网中。它们之间的区别在于单位长度的绞合次数不同：3类的绞合长度为7.5cm 10cm，5类为0.6cm 0.85cm。,双 绞 线,连通性:双绞线既可用于点一点连接,也可用于多点连接。地理范围:双绞线用做远程中继线时,最大距离可达15公里;用于10Mbps局域网时,与集线器的距离最大为100m。 抗干扰性:双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽， 价格:双绞线的价格低于其他
26、传输介质,并且安装、维护方便。,双绞线用于模拟传输或数字传输，其通信距离一般为几公里到十几公里。对于模拟传输，当传输距离太长时要加放大器，以将衰减了的信号放大到合适的数值。对于数字传输则要加中继器，以将失真了的数字信号进行整形。导线越粗，其通信距离就越远 ,但造价也越高。双绞线主要用于点到点的连接，如星形拓扑结构的局域网中，计算机与集线器Hub之间常用双绞线来连接，但其长度不超过100米。双绞线也可用于多点连接。作为一种多点传输介质，它比同轴电缆的价格低，但性能要差一些。,双 绞 线,（2）同轴电缆,物理特性：同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组 成，如
27、图所示。这种结构中的金属屏蔽网可防止中心导体向外辐射电磁场，也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号，因而具有很好的抗干扰特性，被广泛用于较高速率的 数据传输。通常按特性阻抗数值的不同，将其分为基带同轴电缆（50同轴电缆）和宽带同轴电缆（75同轴电缆）。,当需要将计算机连接到同轴电缆上的某一处时，比用双绞线要麻烦得多。通常都是利用T型分接头(或称为T型连接器，即T junction)。T型接头主要有两种：一种必须先把电缆剪断，然后再进行连接。另一种则不必剪断电缆，但要用另一种较昂贵的、特制的插入式分接头(vampire tap)，利用螺丝分别将两根电缆的内外导线连接好。保持电缆接头处的接触良好
28、，是使用电缆作为传输媒体时必须特别加以注意的事项。,同 轴 电 缆,传输特性：根据带宽不同, 可分为:基带同轴电缆和宽带同轴电缆。基带(50欧姆)同轴电缆 一般仅用于数字信号的传输。并使用曼彻斯特编码方式和基带传输方式，即直接把数字信号送到传输介质上，无需经过调制，故把这种电缆称为基带同轴电缆。基带系统的优点是安装简单而且价格便宜，但基带数字方波信号在传输过程中容易 发生畸变和衰减，所以传输距离不能很长，一般在1km以内，典型的数据速率可达1OMbps。基带同轴电缆又有粗缆和细缆之分。粗缆抗干扰性能好，传输距离较远：细缆便宜，传输距离较近。一般来说，传输速率越高，所能传送的距离就越短。局域网中
29、，一般选用RG-8和RG-11型号的粗缆或RG-58型号的细缆。,采用基带信号直接传输时的最大问题就是当出现一长串的连1或连0时，在接收端无法长收到的比特流中提取同位信号。 曼彻斯特编码则可解决这一问题。,（a）基带数字信号 （b）曼彻斯特编码 （c）差分曼氏编码,曼彻斯特编码（Manchester）自带同步信号，如图所示。在曼氏编码中每个比特持续时间分为两半。在发送比特“0”时，前一半时间为高电平，后一半时间为低电平；在发送比特“1”时则相反。或者也可在发送比特0时，前一半时间电平为低，后一半时间电平为高；在发送比特1时则相反。 曼彻斯特编码的缺点：所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。
30、,差分曼氏编码（Difference Manchester）是对曼氏编码的改进。如图所示，它与曼氏编码的不同之处主要是：每比特的中间跳变仅做同步用；若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个的电平一样；若码元为0，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个的电平相反。,宽带同轴电缆的特性阻抗为75 这种同轴电缆用于模拟传输系统，它是公用天线电视系统CATV中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号，因此 又称宽带同轴电缆。宽带同轴电缆用于传送模拟信号时其频率可高达500MHz，支持150 Mb/s的速率，而传输距离可长达100公里。但在传送数字信号时必须先转换成模拟信
31、号，在接收端再还原为数字信号。 可以使用频分多路复用方法,将一条宽带同轴电缆的频带划分成多条通信信道,使用各种调制方式,支持多路传输。宽带同轴电缆也可以只用于一条通信信道的高速数字通信,此时称之为单信道宽带。,同 轴 电 缆,由于在宽带系统中要用到放大器来放大模拟信号，放大器只能单向工作，因此在宽带电缆的双工传输中，一定要有数据发送和数据接收两条分开的数据通路。采用双电缆系统和单电缆都能达到这个目的。,头端的作用： 是将各计算机从发送电缆发过来的信息转换到接收电缆，使得各计算机能从接收电缆上收到发送给它们的信息。,双电缆系统：发送和接收双向采用相同的频率。 单电缆系统：各计算机使用低频段发送信
32、息，头端收到后进行变频，将信息在高频段发出去，然后各计算机再接收这些信息。简单情况下，头端是无源的。但当电缆较长时，可在头端和电缆线路上增加 一个放大器，是接收电缆上的信号有足够的强度。,连通性：同轴电缆既支持点一点连接,也支持多点连接。 地理范围:基带同轴电缆使用的最大距离限制在几公里范围内,而宽带同轴电缆最大距离可达几十公里左右。 抗干扰性:同轴电缆的结构使得它的抗干扰能力较强。 价格:同轴电缆的造价介于双绞线与光缆之间,使用与维护方便。,同 轴 电 缆,（3）光 缆,物理特性：光纤是一种直径为8m100m的柔软、能传导光波的介质，多种玻璃和塑料可以用来制造光纤，其中使用超高纯度石英玻璃纤
33、维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面,用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。 由于光纤非常细，直径不到0.2mm，因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆可以包括数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度，满足工程施工的要求。,四 芯 光 缆,光 缆,传输特性：光导纤维通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号。光波通过光纤内部全反射进行光传输的过程。由于光纤的折射系数高于外部包层的折射系数，因此可以形成光波在光纤与包层的界面上的全反射。在光纤发送端，主要采用两种光源:发光二极管LED(Light-Emit
34、tingDiode)与注入型激光二极管ILD(Injection laser Diode)。光纤传输分为单模与多模两类 。,折射角,入射角,包层（低折射率的媒体）,纤芯（高折射率的媒体）,包层（低折射率的媒体）,光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有相当于0。由于可见光的频率非常高，约为每秒108MHz的量级，因此光纤通信 系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。 光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管（LED)或注入型激光二极管(ILD)，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PIN做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电
35、脉冲。,光纤传输系统结构,多模光纤：,只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在多条不同入射角的光线以不同的反射角在一条光纤中传输，这种传输方式的光纤称为多模光纤。 光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此只适合近距离传输。,单模光纤：,当光纤的直径减小到光波长的数量级，光纤几乎没有空间供光线进行来回反射，光就会沿轴向传输，这种传输方式的光纤称为单模光纤。 单模光纤具有更优良的性能、更高的带宽和更长的传输距离。但价格也高。,光 缆,连通性:光纤最普遍的连接方法是点一点方式，在某些实验系统中，也可以采用多点连接方式。地理范围:光纤信号衰减极
36、小,它可以在6km8km公里的距离内,在不使用中继器的情况下,实现高速率的数据传输。抗干扰性:光纤不受外界电磁干扰与噪声的影响,能在长距离、高速率的传输中保持低误码率。价格:目前,光纤价格高于同轴电缆与双绞线。,光纤具有以下优点：,传输频带非常宽，通信容量大。 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。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。 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。 这在现有电缆管道已拥挤不堪的情况下特别有利。,光纤的缺点：就是把两根光纤精确的连接起来比较困难。一般的网络技术人员还不掌握这个技术，而且光电接口还比较昂贵。但价格
37、是逐年下降。,当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T形接头连接到计算机。T形接头有两种：无源的和有源的。无源的T形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。有源的T形接头实际上就是一个有源转发器如下图所示。缺点：一旦T形接头出了故障，整个光线环路即断开不能工作。,用自由空间作为传输介质来进行数据通信。 特点:信号沿直线传播 适用:架设或铺埋电缆或光缆较困难的地方,广泛应用于电话领域构成的蜂窝式无线电话网。 分类:红外通信、激光通信和微波通信(微波通信又主要有两种方式:地面微波接力通信和卫星通信。,2.3.2 无线传输媒体（非导向传输媒体）,（1）地面微波接力通信,原理
38、:微波是一种频率较高的电磁波，频率范围在300MHz300GHz，但主要使用240GHz。长距离传输时每隔一段距离就需架中继站,将前一信号放大向后传。 适用:微波接力通信可传输电话、电报、图象、数据等信息。 优点:频带宽、通信容量大、传输质量高（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通信小得多）、可靠性较好、投资少、见效快、灵活等。 缺点:相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。,（2）卫星通信,原理：为了增加微波的传输距离，应提高微波收发器或中继站的高度。当将微波中继站放在人造卫星上时，便形成了卫星通信
39、系统，也即利用位于36000公里高的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波通信。 特点：通信距离远、费用与距离远近无关;具有较大的传输延迟,且传输延迟相对确定。 优点：频带很宽,通信容量大,信号受干扰小；通信比较稳定。 缺点：保密性较差,造价较高。 适用：广播电视通信。,（3）红外线与毫米波通信,特点：具有一定的方向性。 优点：价格便宜，易制造，有良好的安全性，不易被切听或截取。 缺点：不能穿透坚硬的物体。 适用：被广泛应用于短距离通信，红外线成为室内无线局域网网的主要选择对象。,2.4 模拟传输与数字传输,2.4.1 模拟传输系统模拟数据是时间的连续函数，并且占有一定的频谱范围。这种数据可以直
40、接用占有相同频谱范围的电信号来表示。模拟传输是一种不考虑信号内容的信号传输方法。信号可以模拟数据或数字数据。无论是何种情况，在传输一定的距离之后，模拟信号都会衰减和畸变。为了实现长距离的传输，模拟传输系统使用放大器来增强信号的能量，但同时也放大了信号中的噪声分量。其结果会导致信号发生畸变，严重时会造成传输错误。模拟传输系统典型的例子是模拟电话传输系统。声波的频率范围为20Hz20kHz。然而，语音能量大部分集中在3003400Hz频率范围内，在这个音频范围内，足以分辨清楚所传输的声音。因此，话音信号的标准频谱是3003400Hz。电话传输系统中的电话设备以及电话线路都是依据这一频率范围而设计的
41、。人的声音通过电话机产生频率为3003400Hz的电信号，经过电话交换网传输到另一端的电话机，再把电信号还原成原来的声音。 数字数据也可以利用模拟信道进行传输，典型的例子是计算机利用电话交换网进行数据交换。在这种情况下，计算机必须使用调制解调器(Modem)来连接电话交换网，在发送端，必须通过Modem将数字数据调制成与模拟信道特性相匹配的模拟信号才能传输；在接收端，再使用Modem把模拟信号解调还原成原来的数据。,2.4.2 调制解调器 1调制解调器的作用 下图表示了计算机数据经过模拟传输系统后出现一个误码的示意图。,因其误码的原因是： (1)发送的基带信号包含有各种的频率成分，其中的一部分
42、已经落到模拟电话通信系统，所能通过的频率范围(3003枷比)之外，因而通不过去。由于收到的信号中缺少了这部分频率成分，因此使数字信号产生了失真。 (2)在能够通过电话线路的这部分频率成分中，各频率成分经受的衰减和时延可能会有些不同。这也要产生失真。 (3)电话线路中存在噪声和各种干扰信号，使信号失真。,上述这些因素对传送话音信号同样要产生失真。由于话音信号中的信息冗余度很大，即使存在这些失真，电话信号中的主要成分还是能够通过去的。因此人们对这样的电话通信质量仍然是满意的。 但数据通信是靠机器来判定收到的码元是什么。接收端一般是在每个码元的中间时刻产生一个采样时刻，对收到的信号进行判决。当失真或
43、干扰严重时就会出现差错，即产生了误码。若所传送的码元速率越高，信号的失真就越严重。 为解决上述(1)和(2)两个因素产生的失真，必须将计算机输出的数字信号转换为频率范围在（300-3400Hz)之间的模拟信号来传输。具体的做法就是在模拟信道两端各加上一个调制解调器。上述的因素(3)，则要利用差错检测和纠正技术。,调制解调器(modem)就是由调制器(MOdulator)和解调器(DEModulator)这两个字各取其字头合并而成的。调制器的主要作用就是个波形变换器，解调器的作用就是个波形识别器。,2几种最基本的调制方法所谓调制就是进行波形变换。或者更严格些，是进行频谱变换.进行调制时，常把正弦
44、信号作为基准信号或载波信号。调制即利用载波信号的一个或几个参数的变化来表示数字信号（调制信号）的过程。基于载波信号的三个主要参数，最基本的二元制调制方法有以下几种：（1）调幅(AM) 以信号幅度的高低表示1，0。（2）调频(FM) 以信号频率的高低表示1，0。（3）调相(PM) 以信号相位的变化表示1，0。,（1）调幅（AM，Amplitude Modulation） 调幅(幅移键控（ASK）法）:指载波的振幅随计算机送出的基带数字信号变化而变化。例如数字信号0对应与无载波输出，1对应与有载波输出。调幅也可以表述为用两个不同的载波信号的幅值分别代表二进制数字0和1。这种方法的编码效率较低，容易
45、受增益变化的影响，抗干扰性较差。 在音频电话线路上的传输效率一般只能达到1200b/s。,（2）调频（FM，Frequency Modulation） 调频（频移键控（FSK)法）指载波的频率随计算机送出的基带数字信号变化而变化。例如数字信号0对应于f1频率，1对应于f2频率。同样，调频也可表述为用两个不同的载波信号的频率分别代表二进制数字0和1。FSK比ASK的编码效率高，不易受干扰的影响，抗干扰性较强。在音频电话线路上的传输效率可大于1200b/s。,（3）调相（PM，Phase Modulation） 调相（相移键控（PSK）法） 调相也可以表述为用两个不同的载波信号的初相位来代表二进制
46、数字0和1。这种只有两种相位（如或）的调制方式称为两相调制。 绝对相移（绝对移相键控） ： 指载波的初始相位随计算机送出的基带数字信号变化而变化。当传输的基带信号为1是，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为0o ；当传输的基带信号为0是，绝对相移调制信号和载波信号的相位差为180o 。,相对相移（相对移相键控 （DPSK）：当传输的基带信号位1时，信号相位与前面信号序列相位相反；当传输的基带信号为0时，信号相位与前面信号序列相位相同。,PSK方式也可用于多相调制，例如，在四相调制中可把信号序列 编码为两位。由于检测相位的变化要比检测相位本身的数值更加容易， 因此PSK方式具有很强的抗干扰能力，
47、其编码效率比FSK要高。 在音频电话线路上的传输效率可达9600b/s。,为了提高信息的传输速率，还经常采用四相调制和八相调制方式。这两种调制方式的数字信息的相位分配情况,为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。 下图画的是一种正交调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)的星座图。若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多)，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,这里r代表振幅，而表示相位。这样我们就可以使用与这16个点相对应的16种不同的码元来传送数据。由于4bit编码共有16种不同的组
48、合，因此这16个点中的每一个点可对应一种4bit的编码。采用这种编码方法，每一码元可表示4bit的信息，因此传送一码元就相当于传送了4bit，因而用2400Baud的码元速率就可得到9600b/s的信息传送速率。但是，若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多）则接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。,3关于调制解调器的速率,在近二十年里，调制解调器的速率得到了非常大的提高。在20世纪80年代中期，在一个标准话路上使用的调制解调器的速率般也就是300b/s。因此，过去将信息传输速率小于600b/s的称为低速调制解调器，而信息传输速率高于9600b/s的称为高速调制解调器。但
49、技术的进步，使得调制解调器的传输速率从300b/s发展到几年前的28.833.6kb/s (即符合ITU-T的V.34标准) 和56kb/s (ITU-TV.90)的水平。这里使用了大量的数字信号处理技术和专用超大规模集成电路VLSI芯片。调制解调器信息传输的速率已很接近于香农的信道容量极限了。,原先的调制解调器是为两个计算机用户通过网络进行通信用的。下图表示两个计算机用户A和B通过V.34调制解调器(33.6 kbit/s)进行通信。从A到B的整个传输过程中，最大的噪声来自模拟到数字的模数转换所带来的量化噪声，下图指出了A和B通信时量化噪声出现的地方。这种量化噪声已是无法再减小了。因此，按照
50、香农公式得出的信道容量的极限值约为35kbs。也就是说，V.34的336kbs的速率基本上已达到极限数值了。,变成标准的64kbs的PCM数字信号,后来人们发现，提高调制解调器速率的主要动机并不是要在两个用户之间进行通信，而是要通过因特网服务提供者ISP(InternetServiceProvider)从因特网上以更高的速率下载有用的信息。由于大部分的ISP都使用租用数字专线接入到电话交换机，因此用户与ISP之间的通信信道是下图所示的那样。网络中的下行信道不包含模数转换。从因特网一直到交换机1，都是数字传输。因此，下行信道的信噪比可以明显地提高。根据这一情况，就研制出了56kbs的调制解调器。,
