第3章物理层 第3章物理层 本章基本要求：掌握物理层的基本功能，掌握各类传输介质的特点，掌握常见物理层 设备与组件的作用：理解数据通信系统的模型及相关概念，理解基带传输技术和频带 传输技术，理解多路复用技术：了解物理层标准的内涵。 本章难点：数字数据编码，多路复用技术 教学时数与实验：6-8学时，建议另外开设1-2学时的“UTP线缆的制作”实验。 物理层是0SI参考模型中的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础， 它是唯一直接提供原始比特流传输的层。物理层必须解决好与比特流的物理传输有关的一 系列问题，包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声 以及设备之间的物理接口等。 本章首先简单介绍数据通信的基本知识，然后介绍传输介质、多路复用技术以及常用 的物理层协议，最后探讨物理信号传输中存在的问题数据通信基础 3.1数据通信基础 从某种意义上讲，计算机网络是建立在数据通信系统之上的资源共享系统。因为计算 机网络的主要功能是为了实现信息资源的共享与交换，而信息是以数据形式来表达的，所 以计算机网络网络必须要解决数据通信的问题。如果没有数据通信功能为基础，计算机网 络就会成为“空中楼阁”。 3.1.1数据通信的基本概念 1.信息、数据和信号 信息是指有用的知识或消息，计算机网络通信的目的就是为了交换信息。而数据则是 信息的表达方式，其可以是数字、文字、声音、图形和图象等多种不同形式。就好比你如 果要向朋友传递“某一天是你的生日”的信息时，总是要以某种方式表达出来，如直接用 话语告诉他，或用书面文字告诉他，也可以用图片示意他。在计算机系统中，我们统一以 二进制代码表示数据的不同形式。而当这些二进制代码表示的数据要通过物理介质和器件 进行传输时，还需要将其转变成物理信号，信号(Sigl)是数据在传输过程中的电磁波 表示形式
第 3 章 物理层 1 第3章 物理层 本章基本要求：掌握物理层的基本功能，掌握各类传输介质的特点，掌握常见物理层 设备与组件的作用；理解数据通信系统的模型及相关概念，理解基带传输技术和频带 传输技术，理解多路复用技术；了解物理层标准的内涵。 本章难点：数字数据编码，多路复用技术 教学时数与实验：6-8 学时，建议另外开设 1-2 学时的“UTP 线缆的制作”实验。 物理层是 OSI 参考模型中的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础， 它是唯一直接提供原始比特流传输的层。物理层必须解决好与比特流的物理传输有关的一 系列问题，包括传输介质、信道类型、数据与信号之间的转换、信号传输中的衰减和噪声 以及设备之间的物理接口等。 本章首先简单介绍数据通信的基本知识，然后介绍传输介质、多路复用技术以及常用 的物理层协议，最后探讨物理信号传输中存在的问题数据通信基础 3.1 数据通信基础 从某种意义上讲，计算机网络是建立在数据通信系统之上的资源共享系统。因为计算 机网络的主要功能是为了实现信息资源的共享与交换，而信息是以数据形式来表达的，所 以计算机网络网络必须要解决数据通信的问题。如果没有数据通信功能为基础，计算机网 络就会成为“空中楼阁”。 3.1.1 数据通信的基本概念 1．信息、数据和信号 信息是指有用的知识或消息， 计算机网络通信的目的就是为了交换信息。而数据则是 信息的表达方式，其可以是数字、文字、声音、图形和图象等多种不同形式。就好比你如 果要向朋友传递“某一天是你的生日”的信息时，总是要以某种方式表达出来，如直接用 话语告诉他，或用书面文字告诉他，也可以用图片示意他。在计算机系统中，我们统一以 二进制代码表示数据的不同形式。而当这些二进制代码表示的数据要通过物理介质和器件 进行传输时，还需要将其转变成物理信号，信号（Signal）是数据在传输过程中的电磁波 表示形式
计算机网络技术 2.模拟信号与数字信号 作为数据的电磁波表达形式，信号一般以时间为自变量，以表示数据的某个参量如振 幅、频率或相位为因变量。并且按其因变量对时间的取值是否连续被分为模拟信号和数字 信号。 模拟信号是指信号的因变量随时间连续变化的信号，如图3.1所示。电视图像信号、 语音信号、温度压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号都是模拟信号。 数字信号是指信号的因变量不随时间连续变化的信号，通常表现为离散的脉冲形式， 可表示为x(T),如图3.1b所示。显然，在数字信号中，因变量取值状态是有限的。计 算机数据、数字电话和数字电视等都可看成是数字信号。 4f0 ↑x(nr) 包00回00I日mt a)模拟信号 b)数字信号 图3.1模拟信号和数字信号 虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并不存在不可逾越的鸿沟，在 一定条件下它们是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号， 而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤转变为模拟信号。 3.数据通信 发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传送到数据接收方的过程就称为是数 据通信。由于信号可以是离散变化的数字信号，也可以是连续变化的模拟信号，所以与之 相对应，数据通信被分为模拟数据通信和数字数据通信。所谓模拟数据通信是指在模拟信 道上以模拟信号形式来传输数据：而数字数据通信则是指利用数字信道以数字信号方式来 传递数据。 4.信源、信宿和信道 在数据通信中，我们通常将数据的发送方称为信源，而将数据的接收方称为信宿。信 源和信宿一般是计算机或其它一些数据终端设备。 为了在信源和信宿之间实现有效的数据传输，必须在信源和信宿之间建立一条传送信 号的物理通道，这条通道被称为物理信道，简称信道。信道建立在传输介质之上，但包括
2 计算机网络技术 2．模拟信号与数字信号 作为数据的电磁波表达形式，信号一般以时间为自变量，以表示数据的某个参量如振 幅、频率或相位为因变量。并且按其因变量对时间的取值是否连续被分为模拟信号和数字 信号。 模拟信号是指信号的因变量随时间连续变化的信号，如图 3.1a 所示。电视图像信号、 语音信号、温度压力传感器的输出信号以及许多遥感遥测信号都是模拟信号。 数字信号是指信号的因变量不随时间连续变化的信号，通常表现为离散的脉冲形式， 可表示为 x（n T），如图 3.1 b 所示。显然，在数字信号中，因变量取值状态是有限的。计 算机数据、数字电话和数字电视等都可看成是数字信号。 a) 模拟信号 b)数字信号 图 3.1 模拟信号和数字信号 虽然模拟信号与数字信号有着明显的差别，但二者之间并不存在不可逾越的鸿沟，在 一定条件下它们是可以相互转化的。模拟信号可以通过采样、编码等步骤变成数字信号， 而数字信号也可以通过解码、平滑等步骤转变为模拟信号。 3. 数据通信 发送方将要发送的数据转换成信号通过物理信道传送到数据接收方的过程就称为是数 据通信。由于信号可以是离散变化的数字信号，也可以是连续变化的模拟信号，所以与之 相对应，数据通信被分为模拟数据通信和数字数据通信。所谓模拟数据通信是指在模拟信 道上以模拟信号形式来传输数据；而数字数据通信则是指利用数字信道以数字信号方式来 传递数据。 4. 信源、信宿和信道 在数据通信中，我们通常将数据的发送方称为信源，而将数据的接收方称为信宿。信 源和信宿一般是计算机或其它一些数据终端设备。 为了在信源和信宿之间实现有效的数据传输，必须在信源和信宿之间建立一条传送信 号的物理通道，这条通道被称为物理信道，简称信道。信道建立在传输介质之上，但包括
第3章物理层 了传输介质和附属的通信设备。通常，同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许 路信号通过。按传输介质的类型来划分，信道被分为有线信道和无线信道：按信道中所传 输的信号类型来划分，信道可被分为模拟信道和数字信道。 5.信道带宽与数据传输速率 信道带宽是指信道的频率宽度，即信道所能传输信号的频率范围。数据传输速率是指 单位时间内信道上所能传输的数据量，通常以每秒比特(bit per second,简写为bps)作为 数据传输速率的基本单位。由于信道带宽越大，则数据传输速率就可以越高，所以常常将 这两个概念等同起来。今后，在本教材中我们就不再对两者加以区分。 3.1.2数据通信系统的模型 数据通信系统是指通过通信线路和通信控制处理设备将分布在各处的数据终端设备连 接起来，执行数据传输功能的系统。图3.2给出了数据通信系统的基本模型。 信源→变器 信道 +餐器信宿 系统噪声 (a)数据通信系统基本模型 信源编码 数字信道 →解码→信宿 系统噪声 )数字数据通信系统基本模型 信源模/数 模拟信道 →一数/模信宿 系统噪声 (@)模拟数据通信系统基本模型 图3.2数据通信系统的基本模型 数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成。其中，信源与信宿分别是数据的出发 点和目的地，又被称为数据终端设备(Data Terminal Equipment,简称DTE)。DTE通常属 于资源子网的设备，如资源子网中的计算机、数据输入/输出设备和通信处理机等。 信号变换器的功能是把信源所要发送的数据转换成适合于在信道上传输的信号，或者
第 3 章 物理层 3 了传输介质和附属的通信设备。通常，同一传输介质上可提供多条信道，一条信道允许一 路信号通过。按传输介质的类型来划分，信道被分为有线信道和无线信道；按信道中所传 输的信号类型来划分，信道可被分为模拟信道和数字信道。 5．信道带宽与数据传输速率 信道带宽是指信道的频率宽度，即信道所能传输信号的频率范围。数据传输速率是指 单位时间内信道上所能传输的数据量，通常以每秒比特（bit per second，简写为 bps）作为 数据传输速率的基本单位。由于信道带宽越大，则数据传输速率就可以越高，所以常常将 这两个概念等同起来。今后，在本教材中我们就不再对两者加以区分。 3.1.2 数据通信系统的模型 数据通信系统是指通过通信线路和通信控制处理设备将分布在各处的数据终端设备连 接起来，执行数据传输功能的系统。图 3.2 给出了数据通信系统的基本模型。 系统噪声 信号 信源 变换器 信号 信宿 变换器 信道 (a) 数据通信系统基本模型 系统噪声 数字信道 (b) 数字数据通信系统基本模型 信源 编码 解码 信宿 系统噪声 模拟信道 (c) 模拟数据通信系统基本模型 信源 模/数 数/模 信宿 图 3.2 数据通信系统的基本模型 数据通信系统由信源、信宿和信道三部分组成。其中，信源与信宿分别是数据的出发 点和目的地，又被称为数据终端设备(Data Terminal Equipment， 简称 DTE)。DTE 通常属 于资源子网的设备，如资源子网中的计算机、数据输入/输出设备和通信处理机等。 信号变换器的功能是把信源所要发送的数据转换成适合于在信道上传输的信号，或者
4 计算机网络技术 相反，把从信道上接收的信号转换成信宿所能识别的数据。若为模拟信道，则信号转换器 的主要功能是分别在发送端和接收端完成数/模和模/数转换功能：若为数字信道，则信号 转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数字数据的编码和解码。信号变换器又称 为数据线路端接设备(Data Circuit-terminating Equipment,简称DCE)。DCE为DTE提供 了入网的连接点，通常被认为是通信子网中的设备。 从图3.2中可以看出，数据通信系统关键是要解决以下几个问题，首先是信道的选择 与构建，其次是数据和信号之间的转换，第三是信号传输的质量。本节我们先来讨论信道 类型的选择以及信道类型确定之后如何实现数据和信号之间转换的问题。 3.1.3基带传输 在计算机系统中，通常用二进制比特来表示各类数据。而脉冲信号是二进制比特的典 型表达方式，按傅利叶分析，脉冲信号由直流、基频、低频和高颍等多个分量组成，随着 频率的升高，其相应的幅度减小直至趋于零。在脉冲信号的整个频谱中，从零开始有一段 能量相对集中的频率范围被称为基本频带(base band),简称基频或基带，基频等于脉冲信 号的固有领率。与基频对应的数字信号称为基带信号。 当我们在数字信道上使用数字信号传输数据时，通常不会将与脉冲信号有关的所有直 流、基频、低频和高烦分量全部放在数字信道上传输，因为那要占据很大的信道带宽。更 合适的作法是将占据脉冲信号大部分能量的基带信号传送出去。这种在数字信道中利用基 带信号直接传输的方式被称为基带传输。基带信号的能量在传输过程中很容易衰减，其在 没有信号再放大的情况下一般不大于2.5km,因此基带传输多用于短距离的数据传输，如局 域网中的数据传给 采用基带信号进行传输的数字通信系统的模型如图3.2(6)所示。该系统要解决的关键 问题是数字数据的编解码问题。即在发送端，要解决如何将二进制数据序列通过某种编码 (encoding)方式转化为可直接传送的基带信号：而在接收端，则要解决如何将收到的基 带信号通过解码(Decoding)恢复为与发送端相同的二进制数据序列。下面着重介绍几种常 见的数字数据编码方法。 1.不归零编码 不归零编码Non-Return Zero,简称NRZ)分别采用两种高低不同的电平来表示两个二进 制“0”和“1”。例如，用高电平表示“1”，低电平表示“0”，如图3.3(a)所示。 RZ编码虽然简单，但其抗干扰能力较差。另外，由于接收方不能正确判断位的开始与 结束，从而收发双方不能保持同步，需要采取另外的措施来保证发送时钟与接收时钟的同 步，如需要用另一个信道同时传送同步时钟信号
4 计算机网络技术 相反，把从信道上接收的信号转换成信宿所能识别的数据。若为模拟信道，则信号转换器 的主要功能是分别在发送端和接收端完成数/模和模/数转换功能；若为数字信道，则信号 转换器的主要功能是分别在发送端和接收端完成数字数据的编码和解码。信号变换器又称 为数据线路端接设备(Data Circuit-terminating Equipment，简称 DCE)。DCE 为 DTE 提供 了入网的连接点，通常被认为是通信子网中的设备。 从图 3.2 中可以看出，数据通信系统关键是要解决以下几个问题，首先是信道的选择 与构建，其次是数据和信号之间的转换，第三是信号传输的质量。本节我们先来讨论信道 类型的选择以及信道类型确定之后如何实现数据和信号之间转换的问题。 3.1.3 基带传输 在计算机系统中，通常用二进制比特来表示各类数据。而脉冲信号是二进制比特的典 型表达方式，按傅利叶分析，脉冲信号由直流、基频、低频和高频等多个分量组成，随着 频率的升高，其相应的幅度减小直至趋于零。在脉冲信号的整个频谱中，从零开始有一段 能量相对集中的频率范围被称为基本频带(base band)，简称基频或基带，基频等于脉冲信 号的固有频率。与基频对应的数字信号称为基带信号。 当我们在数字信道上使用数字信号传输数据时，通常不会将与脉冲信号有关的所有直 流、基频、低频和高频分量全部放在数字信道上传输，因为那要占据很大的信道带宽。更 合适的作法是将占据脉冲信号大部分能量的基带信号传送出去。这种在数字信道中利用基 带信号直接传输的方式被称为基带传输。基带信号的能量在传输过程中很容易衰减，其在 没有信号再放大的情况下一般不大于 2.5km，因此基带传输多用于短距离的数据传输，如局 域网中的数据传输。 采用基带信号进行传输的数字通信系统的模型如图 3.2(b)所示。该系统要解决的关键 问题是数字数据的编解码问题。即在发送端，要解决如何将二进制数据序列通过某种编码 （encoding）方式转化为可直接传送的基带信号；而在接收端，则要解决如何将收到的基 带信号通过解码(Decoding)恢复为与发送端相同的二进制数据序列。下面着重介绍几种常 见的数字数据编码方法。 1．不归零编码 不归零编码(Non-Return Zero，简称 NRZ)分别采用两种高低不同的电平来表示两个二进 制 “0”和“1”。例如，用高电平表示“1”，低电平表示“0”，如图 3.3(a)所示。 NRZ 编码虽然简单，但其抗干扰能力较差。另外，由于接收方不能正确判断位的开始与 结束，从而收发双方不能保持同步，需要采取另外的措施来保证发送时钟与接收时钟的同 步，如需要用另一个信道同时传送同步时钟信号
第3章物理层 0 0 0:10 :11 不归零编码 (a) 曼彻斯特编码 c) 时钟信号 图33数字信号的三种编码方式 2.曼彻斯特(Manchester)编码 曼彻斯特编码将每比特信号周期T分为前T/2和后T/2,用前T/2传送该比特的反（原） 码，用后T/2传送该比特的原（反）码。所以在这种编码方式中，每一位电信号的中点（即 T/2处)都存在一个电平跳变，如图3.3(6)所示。由于任何两次电平跳变的时间间隔是T/2 或T,所以提取电平跳变信号就可作为收发双方的同步信号，而不需要另外的同步信号，故 曼彻斯特编码又被称为“自含时钟编码”。另外，曼彻斯特编码采用跳变方式表达数据较 NRZ中以简单的幅度变化来表示数据具有更强的抗干扰能力。 3.差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的一种改进。其保留了Manchester编码作为“自 含时钟编码”的优点，仍将每比特中间的跳变作为同步之用，但是每比特的取值则根据其 开始处是否出现电平的跳变来决定。通常规定有跳变者代表二进制“0”，无跳变者代表二进 制1”，如图3.3（©）所示。之所以采用位边界的跳变方式来决定二进制的取值是因为跳变更 易于检测 3.1.4频带传输 因为基带传输受到近距离限制，所以在远距离传输中通常采用模拟通信。利用模拟信 道传输二进制数据的方式称为频带传输。采用模拟信号传输的模拟数据通信系统的模型如 图3.3(c)所示。频带传输的关键问题是如何将计算机中的二进制数据转化为适合模拟信道 传输的模拟信号。为了将数字化的二进制数据转化为适合模拟信道传输的模拟信号，需要
第 3 章 物理层 5 不归零编码 曼彻斯特编码 差分曼彻 斯特编码 时钟信号 图 3.3 数字信号的三种编码方式 2．曼彻斯特(Manchester)编码 曼彻斯特编码将每比特信号周期 T 分为前 T/2 和后 T/2，用前 T/2 传送该比特的反（原） 码，用后 T/2 传送该比特的原（反）码。所以在这种编码方式中，每一位电信号的中点(即 T/2 处)都存在一个电平跳变，如图 3.3(b)所示。由于任何两次电平跳变的时间间隔是 T/2 或 T，所以提取电平跳变信号就可作为收发双方的同步信号，而不需要另外的同步信号，故 曼彻斯特编码又被称为“自含时钟编码”。另外，曼彻斯特编码采用跳变方式表达数据较 NRZ 中以简单的幅度变化来表示数据具有更强的抗干扰能力。 3. 差分曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码是对曼彻斯特编码的一种改进。其保留了 Manchester 编码作为“自 含时钟编码”的优点，仍将每比特中间的跳变作为同步之用，但是每比特的取值则根据其 开始处是否出现电平的跳变来决定。通常规定有跳变者代表二进制 “0”，无跳变者代表二进 制“1”， 如图 3.3(c)所示。之所以采用位边界的跳变方式来决定二进制的取值是因为跳变更 易于检测。 3.1.4 频带传输 因为基带传输受到近距离限制，所以在远距离传输中通常采用模拟通信。利用模拟信 道传输二进制数据的方式称为频带传输。采用模拟信号传输的模拟数据通信系统的模型如 图 3.3(c)所示。频带传输的关键问题是如何将计算机中的二进制数据转化为适合模拟信道 传输的模拟信号。为了将数字化的二进制数据转化为适合模拟信道传输的模拟信号，需要