1、计 算 机 网 络计 算 机 网 络主讲人：贾瑞生E_mail:.第第2 2章章 物理层物理层本章的主要内容本章的主要内容: :2.1 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念（# #） 2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识（# #）2.3 2.3 传输媒体传输媒体2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术（# #）2.5 2.5 数字传输技术数字传输技术（# #）2.6 2.6 宽带接入技术宽带接入技术（# #）.2.1 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 （1 1）物理层的主要任务和功能）物理层的主要任务和功能 物理层是网络系统的最低层，也是实现网络通信的物理层是网络系
2、统的最低层，也是实现网络通信的不可缺少的最基本的层次。它的主要任务是通过信号，不可缺少的最基本的层次。它的主要任务是通过信号，实现计算机和通信结点之间的数据比特流的传输。实现计算机和通信结点之间的数据比特流的传输。 为了实现数据的移动，物理层应首先在数据的发送为了实现数据的移动，物理层应首先在数据的发送和接收端建立一条传输通道，并在发送端具备把数据比和接收端建立一条传输通道，并在发送端具备把数据比特转换成信号，而在接收端具备把信号转换成数据比特特转换成信号，而在接收端具备把信号转换成数据比特的功能。的功能。 .2.1 2.1 物理层的基本概念物理层的基本概念 （2 2）物理层协议的主要内容）物
3、理层协议的主要内容 物理层协议描述的主要内容如下物理层协议描述的主要内容如下: : 机械特性：机械特性：指接口所用接线器的形状和尺寸、指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。引线数目和排列、固定和锁定装置等。 电气特性：电气特性：指接口电缆的各条线上出现的电压指接口电缆的各条线上出现的电压的范围。的范围。 功能特性：功能特性：指线路上的某一电平的电压表示何指线路上的某一电平的电压表示何种意义。种意义。 过程特性：过程特性：指对于不同功能的各种事件的出现指对于不同功能的各种事件的出现顺序。顺序。 . （1 1）数据通信系统的模型）数据通信系统的模型2.2 2.2 数据通信
4、的基础知识数据通信的基础知识数 据 通 信 系 统数 据 通 信 系 统源系统源系统目的系统目的系统传输系统传输系统传输传输系统系统输输入入信信息息输输入入数数据据发送发送的信号的信号接收接收的信号的信号输输出出数数据据源点源点终点终点发送器发送器接收器接收器输输出出信信息息调制解调器调制解调器PC PC 机机公用电话网公用电话网调制解调器调制解调器数字比特流数字比特流数字比特流数字比特流模拟信号模拟信号模拟信号模拟信号 输入输入汉字汉字显示显示汉字汉字PC PC 机机. （2 2）物理层常用的几个术语）物理层常用的几个术语 数据：数据：信息的具体表示形式。在计算机中，采用信息的具体表示形式。
5、在计算机中，采用“0”0”和和“1”1”的组合表示各种信息。的组合表示各种信息。 信号：信号：数据的电气的或电磁波的表现形式。物理实数据的电气的或电磁波的表现形式。物理实验表明，最简单的信号是一个单一频率的正弦波。复杂验表明，最简单的信号是一个单一频率的正弦波。复杂的信号可有多个不同频率不同幅度的的信号可有多个不同频率不同幅度的正弦波组成。正弦波组成。 2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 模拟信号：模拟信号：信号的取值是连续的。信号的取值是连续的。 数字信号：数字信号：信号的取值是离散的。信号的取值是离散的。 基带信号基带信号: : 来自信源的基本频带信号。计算机和电来自信源
6、的基本频带信号。计算机和电话直接输出的数据信号均为基带信号。话直接输出的数据信号均为基带信号。 .2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 （3 3）信号的数学表示与分析）信号的数学表示与分析 1 1）付氏级数）付氏级数 任何一个周期为任何一个周期为T T的函数的函数f(t)f(t)，都可用付氏级数表示为：，都可用付氏级数表示为： f(t)=(c/2)+af(t)=(c/2)+an nsin(2tnft)+bsin(2tnft)+bn ncos(2nft)cos(2nft) 其中：其中：f=1/Tf=1/T， c =c =（2/T2/T）f(t)dtf(t)dt， a an n =
7、 (2/T)f(t)sin(2nft)dt= (2/T)f(t)sin(2nft)dt b bn n = (2/T)f(t)cos(2nft)dt= (2/T)f(t)cos(2nft)dt a an n，b bn n分别是分别是n n次谐波的正弦和余弦波的振幅值。次谐波的正弦和余弦波的振幅值。 2 2）周期信号的数学表示）周期信号的数学表示 一个周期为一个周期为T T的信号可以看作为一个周期为的信号可以看作为一个周期为T T的时间函数。因此，的时间函数。因此，任何一个周期为任何一个周期为T T的信号，都可以用付氏级数表示。的信号，都可以用付氏级数表示。由信号的付氏级由信号的付氏级数表示可见，
8、任何一个信号都含有有限或无限个不同频率成分的正数表示可见，任何一个信号都含有有限或无限个不同频率成分的正弦或余弦波，其信号的波形有所含频率成分的正弦或余弦波叠加而弦或余弦波，其信号的波形有所含频率成分的正弦或余弦波叠加而成。成。 一般讲，对于一个模拟信号，其所含的频率的成分是有限的；一般讲，对于一个模拟信号，其所含的频率的成分是有限的；而对于一个数字信号，其所含的频率成分是无限的。而对于一个数字信号，其所含的频率成分是无限的。.2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识T/2T/2TT(t)S(t)周期为周期为T的方波信号的方波信号 3 3）信号的频谱分析示例）信号的频谱分析示例 下
9、面以方波为例下面以方波为例, ,并用图形分并用图形分解的方法来说明数字信号是如何解的方法来说明数字信号是如何由无数个正弦或余弦波形叠加而由无数个正弦或余弦波形叠加而成的。成的。 对于右图所示的方波信号，对于右图所示的方波信号，其付氏级数的函数表达式如下：其付氏级数的函数表达式如下： 上述公式说明，对称的方波是由多个奇次谐波组成的。上述公式说明，对称的方波是由多个奇次谐波组成的。下面分别给出下面分别给出1 1、3 3、5 5、7 7次等谐波及其叠加的图形。次等谐波及其叠加的图形。1 11 1s(t)=s(t)=4 41 1t tcoscos( (3 33 3t tcoscos+ +5 55 5t
10、 tcoscos+ +。(-1)(-1)(n-1)/2(n-1)/2+ +1 1n nn nt tcoscos 其中其中:n n= = 2nf,2nf,f f= =1 1T T）.2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识S(t)S(t)(t)(t)S(t)S(t)(t)(t)(t)(t)S(t)S(t)1 1次谐波次谐波 S(t)S(t)(t)(t)3 3 次谐波次谐波S(t)S(t)(t)(t)5 5次谐波次谐波7 7次谐波次谐波9 9次谐波次谐波(t)(t)S(t)S(t)1 1次和次和3 3次谐波叠加结果次谐波叠加结果 1 1、3 3和和5 5次谐波叠加结果次谐波叠加结果 (
11、t)(t)S(t)S(t)S(t)S(t)1 1、3 3、5 5和和7 7次谐波叠加结果次谐波叠加结果 (t)(t).2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 码元：码元：是一个是一个波形和长度固定的波形和长度固定的独立信号，在通信独立信号，在通信中可用其表示一个或多个比特。中可用其表示一个或多个比特。 （3 3）有关信道的几个基本概念）有关信道的几个基本概念 信道指的是用来传输信息的通道。一条通信线路上可信道指的是用来传输信息的通道。一条通信线路上可以包含多个通信信道。从通信的双方交互的方式来看，以包含多个通信信道。从通信的双方交互的方式来看，可以把信道分成以下几种形式。可以把信
12、道分成以下几种形式。 单向通信（单工通信）：单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信。只能有一个方向的通信。 双向交替通信（半双工通信）：双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可发通信的双方都可发送信息，但不能同时发送。送信息，但不能同时发送。 . 双向同时通信（全双工通信）：双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时通信的双方可以同时发送和接收信息。发送和接收信息。 2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识信源信源信宿信宿信宿信宿信源信源信源信源信宿信宿信宿信宿信源信源信源信源信宿信宿（a)a)单工数据传输单工数据传输（b)b)半双工数据传输半双工数据传输（c)c)全双工
13、数据传输全双工数据传输. （4 4）信号的基本调制方法）信号的基本调制方法 基带信号中往往包含有较多的低频成分，而许多信基带信号中往往包含有较多的低频成分，而许多信道并不能传输这种低频分量。需要对基带信号进行适当道并不能传输这种低频分量。需要对基带信号进行适当调制后再进行传输。最基本的调制方法有调幅调制后再进行传输。最基本的调制方法有调幅(AM)(AM)、调、调频频(FM)(FM)和调相和调相(PM)(PM)和混合调制几种。各种调制方法的做和混合调制几种。各种调制方法的做法如下：法如下： 一个最基本的电磁波信号，其幅度随时间变化的关一个最基本的电磁波信号，其幅度随时间变化的关系，可以用一个正弦
14、函数表示，即：系，可以用一个正弦函数表示，即： E = Am sin(2ft+) E = Am sin(2ft+) 调幅调幅(AM)(AM)：就是对最基本的电磁波信号取不同的就是对最基本的电磁波信号取不同的AmAm值，如取值，如取Am=1Am=1，表示数据，表示数据“1”1”；取；取Am=2Am=2，表示数据，表示数据“0”0”等。等。 2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识. 混合调制混合调制: : 就是就是对最基本的电磁波信号采用上就是就是对最基本的电磁波信号采用上述三种方法的组合进行信号的调制。其中采用振幅与相述三种方法的组合进行信号的调制。其中采用振幅与相位的组合进行调制
15、的方法称为位的组合进行调制的方法称为“正交振幅调制正交振幅调制( Quadrature Amplitude Modulation, QAM )( Quadrature Amplitude Modulation, QAM )。2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 调频调频(FM)(FM)：就是就是对最基本的电磁波信号取不同就是就是对最基本的电磁波信号取不同的的f f值，如取值，如取f=ff=f0 0， 表示数据表示数据“1”1”； 取取f=ff=f1 1 ，表示数，表示数据据“0”0”等。等。 调相调相(PM)(PM)：就是就是对最基本的电磁波信号取不同就是就是对最基本的电磁波信
16、号取不同的的值，如取值，如取=0,=0,表示数据表示数据“1”“1”； 取取=，表示数，表示数据据“0”“0”等。等。.0 01 10 00 01 11 11 10 00 0基带基带信号信号调幅调幅调频调频调相调相2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识. 若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。解调时要正确识别每一种状态就越困难。 正交振幅调制正交振幅调制(QAM)(QAM)举例举例r r (r, (r, ) )可供选择的相位有可供选择的相位有1212种，种，而对于每一种相位有而对于每一种相位
17、有1 1或或2 2种振幅可供选择。种振幅可供选择。 由于由于4bit4bit编码共有编码共有1616种不同种不同的组合，因此这的组合，因此这1616个点中的个点中的每个点可对应于一种每个点可对应于一种4bit4bit的的编码。编码。 2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识. （5 5）信道的极限容量）信道的极限容量 任何实际的信道在传输信号时都会受到干扰，使输任何实际的信道在传输信号时都会受到干扰，使输出的信号产生失真。码元传输的速率越高，或信号传输出的信号产生失真。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，信道输出波形的失真就越严重。的距离越远，信道输出波形的失真就越严重。发送
18、信号波形发送信号波形实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰）（带宽受限、有噪声、干扰）接收信号波形接收信号波形实际的信道实际的信道（带宽受限、有噪声、干扰）（带宽受限、有噪声、干扰）发送信号波形发送信号波形接收信号波接收信号波形形2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识. 信道的数据传输速率与带宽的关系可由尼奎斯特定律信道的数据传输速率与带宽的关系可由尼奎斯特定律和香农定律表明。和香农定律表明。 尼奎斯特定律：尼奎斯特定律：对于一个无噪声的信道，其最大的对于一个无噪声的信道，其最大的数据传输速率为：数据传输速率为： C = 2 H LogC = 2 H Log2 2 L (b
19、/s) L (b/s) 其中：其中：H H为信道的带宽，以为信道的带宽，以HzHz为单位，为单位， L L 表示给定时表示给定时刻数字信号的可能取的离散值的个数，刻数字信号的可能取的离散值的个数，C C 是信道的最大数是信道的最大数据传输速率。据传输速率。2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 尼奎斯特定律表明，尼奎斯特定律表明，对于一个无噪声的信道，其最对于一个无噪声的信道，其最大可能的数据传输速率由该信道的带宽和信号可能取的状大可能的数据传输速率由该信道的带宽和信号可能取的状态值的个数决定。当数据的传输速率超过这个上线时，信态值的个数决定。当数据的传输速率超过这个上线时，信道
20、中的的码元就会出现码间串扰，接收端就不能对码元进道中的的码元就会出现码间串扰，接收端就不能对码元进行确切的区分。行确切的区分。. 香浓定律：香浓定律：对于一个有噪声的信道，其最大的数据传对于一个有噪声的信道，其最大的数据传输速率为：输速率为： C = H LogC = H Log2 2（1+S/N1+S/N）(b/s)(b/s) 其中：其中：H H为信道的带宽，以为信道的带宽，以HzHz为单位，为单位，S S为信道内信号为信道内信号的平均功率，的平均功率，N N为信道内干扰信号的功率。为信道内干扰信号的功率。2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识 香浓定律表明，：对于一个有噪声的
21、信道，其最大可香浓定律表明，：对于一个有噪声的信道，其最大可能的数据传输速率能的数据传输速率由该信道的带宽和信噪比决定。由该信道的带宽和信噪比决定。 一个实际的信道总是包含有一定的噪声的。当信道的一个实际的信道总是包含有一定的噪声的。当信道的带宽一定时，可以采用降信道低噪声和提高信号功率的方带宽一定时，可以采用降信道低噪声和提高信号功率的方法来提高信道的数据传输速率。法来提高信道的数据传输速率。 通常在实际的信道中，其信噪比的值比较大，常采通常在实际的信道中，其信噪比的值比较大，常采用分贝（用分贝（dB)dB)为单位进行表示。为单位进行表示。 S/N(dB)=10 LogS/N(dB)=10
22、Log1010(S/N)(dB)(S/N)(dB). （6 6）信道的数据传输速率与波特率的关系信道的数据传输速率与波特率的关系 码元的速率码元的速率B B和数据的传输速率和数据的传输速率C C在数值上也有一定的在数值上也有一定的关系，其关系为：关系，其关系为： C = B LogC = B Log2 2 L L 在许多场合，在许多场合， 通常信号只取两种状态（通常信号只取两种状态（L = 2L = 2），此），此时，码元的速率时，码元的速率B B和数据的传输速率和数据的传输速率C C在数值上就相等。在数值上就相等。 码元的速率也称为码元的速率也称为波特率波特率。 从上面的讨论，可以看出，对于
23、带宽一定的信道，如从上面的讨论，可以看出，对于带宽一定的信道，如果信噪比和码元的传输速率都不能再提高了，此时，还可果信噪比和码元的传输速率都不能再提高了，此时，还可通过编码的方法来提高信道的数据传输速率，即设法产生通过编码的方法来提高信道的数据传输速率，即设法产生多种状态的码元，这样就可让一个码元代表多位比特。多种状态的码元，这样就可让一个码元代表多位比特。 2.2 2.2 数据通信的基础知识数据通信的基础知识.2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体 传输媒体是信号传输的物理通道，可分为有线和无线传输媒体是信号传输的物理通道，可分为有线和无线两种。有线媒体主要有双绞线、同轴电
24、缆和光纤等；无线两种。有线媒体主要有双绞线、同轴电缆和光纤等；无线媒体为宇宙空间。下图是电信领域使用的电磁信号的频谱媒体为宇宙空间。下图是电信领域使用的电磁信号的频谱。无线电无线电微波微波红外线红外线可见光可见光紫外线紫外线X射线射线 射线射线双绞线双绞线同轴电缆同轴电缆卫星卫星地面微波地面微波 调幅调幅无线电无线电 调频调频无线电无线电 海事海事无线电无线电光纤光纤电视电视(Hz)f (Hz)fLFMFHFVHF UHF SHFEHFTHF波段波段104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012 1013 1014 1015 1016100 102 104 106
25、 108 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 1024 移动移动无线电无线电 . （1 1）有线传输媒体）有线传输媒体 双绞线：双绞线：是在电缆的内部由若干对两两绞在一起的相互是在电缆的内部由若干对两两绞在一起的相互绝缘的金属导线组成。采用两两相绞的绞线技术可以抵消相绝缘的金属导线组成。采用两两相绞的绞线技术可以抵消相邻线对之间的电磁干扰和减少近端串扰。邻线对之间的电磁干扰和减少近端串扰。 无屏蔽双绞线无屏蔽双绞线 UTP屏蔽双绞线屏蔽双绞线 STP铜线铜线铜线铜线聚氯乙烯聚氯乙烯 套层套层聚氯乙烯聚氯乙烯套层套层屏蔽层屏蔽层绝缘层绝缘层绝缘层绝缘层 双绞线既
26、可以传输模拟信号，又能传输数字信号。双绞双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。双绞线又可以分为非屏蔽双绞线（线又可以分为非屏蔽双绞线（UTPUTP）和屏蔽双绞线）和屏蔽双绞线STPSTP）。屏）。屏蔽双绞线是在非屏蔽双绞线的外面加上一个用金属编制的屏蔽双绞线是在非屏蔽双绞线的外面加上一个用金属编制的屏蔽层，用于防止外界电磁信号对其内部信号的干扰。蔽层，用于防止外界电磁信号对其内部信号的干扰。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体. 到目前为止，美国电子工业协会（到目前为止，美国电子工业协会（EIAEIA）和电信工业协）和电信工业协会（会（TIATIA）已颁布了六类双绞线
27、标准。）已颁布了六类双绞线标准。 一类：适用于电话和低速数据通信；一类：适用于电话和低速数据通信； 二类：适用于综合业务网二类：适用于综合业务网ISDNISDN等，速率可达等，速率可达16MB/S16MB/S； 三类：适用于三类：适用于10Base-T10Base-T或或100Base-T4100Base-T4等局域网，速率等局域网，速率高达高达20MB/S20MB/S； 四类：适用于四类：适用于100Base-TX100Base-TX和和100Base-T4100Base-T4等局域网，速等局域网，速率高达率高达100MB/S100MB/S。 五类：适用于五类：适用于100Base-TX 1
28、00Base-TX 、100Base-T4100Base-T4、1000Base-1000Base-TXTX等局域网，支持高达等局域网，支持高达1000MB/S1000MB/S的数据通信。的数据通信。 六类：适用于六类：适用于1000Base-TX1000Base-TX局域网，支持高达局域网，支持高达1000MB/S1000MB/S的数据通信。的数据通信。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体. 同轴电缆：同轴电缆：其结构是一个外部圆柱形空心导体围裹其结构是一个外部圆柱形空心导体围裹着一个内部导体。内部导体可以是单股实心线也可以是着一个内部导体。内部导体可以是单股实心线也可以
29、是多根绞合线；外部导体可以是单股线也可以是编织线。多根绞合线；外部导体可以是单股线也可以是编织线。内外导体中间用规则间隔的绝缘环或者用固体绝缘材料内外导体中间用规则间隔的绝缘环或者用固体绝缘材料将两者隔开。将两者隔开。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体. 按内部导体的阻抗特性可分为按内部导体的阻抗特性可分为5050、7575、9393等等几种。其中几种。其中50 50 的同轴电缆的同轴电缆 用于计算机局域网等数字用于计算机局域网等数字信号的传输，信号的传输，75 75 和和93 93 的同轴电缆用于电视网等模的同轴电缆用于电视网等模拟信号的传输。拟信号的传输。 按内部导体
30、的直径可分为粗同轴电缆和细同轴电缆按内部导体的直径可分为粗同轴电缆和细同轴电缆两种。粗同轴电缆的阻抗特性为一般为两种。粗同轴电缆的阻抗特性为一般为7575或或9393，细，细同轴电缆阻抗特性一般为同轴电缆阻抗特性一般为50 50 。 同双绞线相比，同轴电缆对信号的衰减小，对外辐同双绞线相比，同轴电缆对信号的衰减小，对外辐射小，抗干扰能力强，更有利于高频信号的传输。射小，抗干扰能力强，更有利于高频信号的传输。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体. 纤芯纤芯包层包层敷层敷层垫层垫层壳层壳层(a) (a) 光纤的基本结构光纤的基本结构光纤光纤隔离架隔离架包层包层（b)b)光缆的结
31、构光缆的结构 光纤：光纤：是一种可以传输光的导体。纤芯的光折射率略是一种可以传输光的导体。纤芯的光折射率略高于包层，包层的折射率为常数，纤芯和包层的直径约高于包层，包层的折射率为常数，纤芯和包层的直径约50120m50120m，脆弱易断，需要在包层外再加上敷层、垫层和，脆弱易断，需要在包层外再加上敷层、垫层和壳层。敷层用固化塑料，垫层用硅橡胶等低弹性材料，壳壳层。敷层用固化塑料，垫层用硅橡胶等低弹性材料，壳层用尼龙等高强度材料。结构如下图（层用尼龙等高强度材料。结构如下图（a)a)所示。所示。 把数根光纤纽绞在一起，外缠塑料绑带和铅皮，再包把数根光纤纽绞在一起，外缠塑料绑带和铅皮，再包上塑料或
32、用钢带裹装，既称为光缆。如图上塑料或用钢带裹装，既称为光缆。如图(b)(b)所示。所示。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体. 光的传播原理：光的传播原理：当光从一种介质斜射到另一种介质时当光从一种介质斜射到另一种介质时，在两种介质的交界处，光的传播方向将不一致，这种现，在两种介质的交界处，光的传播方向将不一致，这种现象被称为光的折射。根据光的折射定律，当光的折射角大象被称为光的折射。根据光的折射定律，当光的折射角大于于9090度时，即发生度时，即发生全反射全反射，光线全部反回到第一种介质中，光线全部反回到第一种介质中。光在光纤中的传播路径如下图所示。光在光纤中的传播路径如
33、下图所示。 折射角折射角入射角入射角 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 包层包层（低折射率的媒体）（低折射率的媒体） 纤芯纤芯（高折射率的媒体）（高折射率的媒体） 包层包层纤纤芯芯2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体. 输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲单模光纤单模光纤输入脉冲输入脉冲输出脉冲输出脉冲多模光纤多模光纤 光纤的分类：光纤的分类：按照光在光纤中传播的路径不同，可将按照光在光纤中传播的路径不同，可将光纤分为多模和单模型。多模光纤的纤芯的直径较大，通光纤分为多模和单模型。多模光纤的纤芯的直径较大，通常为常为50-120m50-120m，而单模光纤的纤芯的直
34、径很小，通常为，而单模光纤的纤芯的直径很小，通常为50m50m以下。在多模光纤中以下。在多模光纤中, ,不同波长的光线所走的路径不不同波长的光线所走的路径不同同. .在单模光纤中在单模光纤中, ,不同波长的光线所走的路径几乎相同。不同波长的光线所走的路径几乎相同。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体. 光纤通信系统：光纤通信系统：长距离光纤通信系统由光信号发信机、长距离光纤通信系统由光信号发信机、光纤线路、中继器和光信号接收机组成，如下图所示。光纤线路、中继器和光信号接收机组成，如下图所示。光发信机光发信机光信号中继器光信号中继器光接收机光接收机光纤通信系统的基本组成结构光
35、纤通信系统的基本组成结构 利用光纤进行数字通信，当传输的信号为利用光纤进行数字通信，当传输的信号为“1”1”时，让时，让光发信机产生光脉冲，为光发信机产生光脉冲，为“0”0”时，发信机不产生光脉冲。时，发信机不产生光脉冲。 光纤通信的特点：光纤通信的特点： 通信容量大；通信容量大； 中继距离长；中继距离长； 抗干扰能力强；抗干扰能力强； 不容易被窃听等。不容易被窃听等。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体. 无线电传输：无线电传输：通常把频率低于通常把频率低于10101212的电磁波称为无线的电磁波称为无线电波。无线电波可在地表面、大气层、电离层和真空中传电波。无线电波可在
36、地表面、大气层、电离层和真空中传播。不同的环境对不同频率的电波的吸收、透射和干扰的播。不同的环境对不同频率的电波的吸收、透射和干扰的程度不同，因此其传播的路线和速度亦不同。例如地表面程度不同，因此其传播的路线和速度亦不同。例如地表面进行通信，通常采用长波和中波；在大气层中进行通信，进行通信，通常采用长波和中波；在大气层中进行通信，通常采用短波。通常采用短波。 （2 2）无线传输媒体）无线传输媒体 在自由空间利用电磁波传输数据就是无线传输。按频在自由空间利用电磁波传输数据就是无线传输。按频率可将无线传输分为无线电、微波、红外线、可见光、紫率可将无线传输分为无线电、微波、红外线、可见光、紫外线、外
37、线、X X射线和射线和r r射线等。射线等。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体.2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体 地面无线广播地面无线广播电离层电离层短波短波 频率高于频率高于短波的信号短波的信号利用电离层和短波进行通信利用电离层和短波进行通信. 微波：微波：微波是在空间直线传播，传输的频率为微波是在空间直线传播，传输的频率为4GHz4GHz 6GHz6GHz和和21GHz21GHz 23GHz23GHz。无线电视转播网就是一个典型的。无线电视转播网就是一个典型的利用微波进行通信的系统。卫星通信通常也采用微波。利用微波进行通信的系统。卫星通信通常也
38、采用微波。2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体 地面接力转播地面接力转播同步卫星转播同步卫星转播近地卫星转播近地卫星转播.2.3 2.3 物理层采用的传输媒体物理层采用的传输媒体 激光通信：激光通信：激光具有带宽高、方向性好、保密性能激光具有带宽高、方向性好、保密性能好等优点。激光沿直线传播，不能穿透植物、雨、雪和好等优点。激光沿直线传播，不能穿透植物、雨、雪和雾，多用于短距离的信息传输。雾，多用于短距离的信息传输。 红外线红外线：不受一般电磁的干扰，沿直线传播。小范不受一般电磁的干扰，沿直线传播。小范围的计算机网络也可以使用红外线进行数据通信。家庭围的计算机网络也可以使用
39、红外线进行数据通信。家庭电器使用的遥控器就是用红外线进行通信的。电器使用的遥控器就是用红外线进行通信的。.2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术 一个信道可用于两个终端的通信，也可用于两个以上终一个信道可用于两个终端的通信，也可用于两个以上终端的通信。当用于两个上的终端通信时称其是可复用的。端的通信。当用于两个上的终端通信时称其是可复用的。 (1) (1) 频分多路复用频分多路复用 将一条线路的可用频带分成若干个互不相交的频段，一将一条线路的可用频带分成若干个互不相交的频段，一个信道占用一个频段。当发送端有多个用户需要同时传输数个信道占用一个频段。当发送端有多个用户需要同时传输数据时，可为每
40、个用户分配一个信道。发送端将传输数据的信据时，可为每个用户分配一个信道。发送端将传输数据的信号调制到所占用信道的频带内进行发送。在接收端用适当的号调制到所占用信道的频带内进行发送。在接收端用适当的滤波器将信号分开。滤波器将信号分开。频频分分多多路路复复用用器器频频分分多多路路复复用用器器.信源信源1信源信源2信源信源N.通道通道1通道通道2通道通道N信宿信宿1信宿信宿2信宿信宿N. 频分多路复用举例：频分多路复用举例：如一根电话线的带宽为如一根电话线的带宽为268KHz268KHz，而一部电话占用的带宽只需而一部电话占用的带宽只需4000Hz4000Hz。因此，可把一条电话。因此，可把一条电话
41、线的信道划分成线的信道划分成6767个子信道，一个子信道可分配给一个用个子信道，一个子信道可分配给一个用户打电话用，这样在一条电话线上可同时允许最多户打电话用，这样在一条电话线上可同时允许最多6767个用个用户打电话。户打电话。 由于相同频率的信号同时在一条线路上传输时会产生由于相同频率的信号同时在一条线路上传输时会产生能量的叠加，而每个用户电话的基本频率均为能量的叠加，而每个用户电话的基本频率均为0-4KHz0-4KHz，因，因此，需要把不同用户的语音数据搬移到不同的子信道上去。此，需要把不同用户的语音数据搬移到不同的子信道上去。搬移的方法是对每个话音产生的基本信号叠加一个不同的搬移的方法是
42、对每个话音产生的基本信号叠加一个不同的搬移频率的信号。搬移频率搬移频率的信号。搬移频率f fi i=4000i(i=0,1,2,N)=4000i(i=0,1,2,N)。 把话音信号搬移到不同的子信道的过程称为载波。把话音信号搬移到不同的子信道的过程称为载波。2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术. (2)(2)时分多路复用时分多路复用 如果传输介质的最大传输速率超过单一信源要求的数据如果传输介质的最大传输速率超过单一信源要求的数据传输速率，可以采用传输速率，可以采用时分多路复用技术（时分多路复用技术（TDMTDM）。时分多路复。时分多路复用技术将一条线路的工作时间进行周期划分，对每一周期再用
43、技术将一条线路的工作时间进行周期划分，对每一周期再划分成若干时间片划分成若干时间片t t1 1，t t2 2，t t3 3 t tn n，轮流分配给多个信源，轮流分配给多个信源来使用公共线路，在每一周期的每一时间片来使用公共线路，在每一周期的每一时间片t ti i 内，线路供一内，线路供一对终端使用。对终端使用。时时分分多多路路复复用用器器时时分分多多路路复复用用器器.信源信源1信源信源2信源信源N信宿信宿1信宿信宿2信宿信宿N信源信源1信源信源2信源信源N. . .2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术. 时分多路复用举例：时分多路复用举例：E1E1系统是系统是CCITTCCITT制定的一
44、个时分多制定的一个时分多路复用系统路复用系统, ,被广泛的应用欧洲的公用电话通信系统中。它被广泛的应用欧洲的公用电话通信系统中。它有有3232路语音信号，路语音信号，8bit/8bit/路，路，125125微秒微秒/ /周期，传输速率为：周期，传输速率为： 3232* *8 8* *10106 6/125=2.048Mbps/125=2.048Mbps。E1E1系统示意图如下：系统示意图如下：E1E1复复用用器器E1E1复复用用器器. . . .CH0CH0CH1CH1CH31CH31CH0CH0CH1CH1CH31CH31CH0CH0CH1CH1CH31CH31. . . . .2.048M
45、bps2.048Mbps64kbps64kbps64kbps64kbps64kbps64kbps64kbps64kbps64kbps64kbps64kbps64kbps2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术. 时分多路复用又可分为同步时分多路复用和异步时分时分多路复用又可分为同步时分多路复用和异步时分多路复用两种形式。多路复用两种形式。 异步时分多路复用：异步时分多路复用：异步时分多路复用允许动态地分异步时分多路复用允许动态地分配时间片，如果某个终端不发送信息，则其他的终端可以配时间片，如果某个终端不发送信息，则其他的终端可以占用该时间片。占用该时间片。 异步时分多路复用也称统计时分多路复用
46、异步时分多路复用也称统计时分多路复用 。 同步时分多路复用：同步时分多路复用：同步时分多路复用是指分配给每同步时分多路复用是指分配给每个终端数据源的时间片是固定的，不管该终端是否有数据个终端数据源的时间片是固定的，不管该终端是否有数据发送，属于该终端的时间片都不能被其他终端占用。发送，属于该终端的时间片都不能被其他终端占用。2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术. （3 3）波分复用）波分复用WDMWDM 在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来分析在光通信领域，人们习惯按波长而不是按频率来分析光的特性。由于波长光的特性。由于波长= =光速光速/ /频率，因此，所谓的波分复用频率，因此，所
47、谓的波分复用(WDM),(WDM),其本质上也是频分复用而已。其本质上也是频分复用而已。2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术. （4 4）码分复用）码分复用CDMACDMA 码分复用码分复用(CDMA)(CDMA)是另一种共享信道的方法。它允许多是另一种共享信道的方法。它允许多个用户在同一时间内使用同样的频带进行通信。个用户在同一时间内使用同样的频带进行通信。 在在CDMACDMA系统中，将要传输的一个比特位所占用的时间系统中，将要传输的一个比特位所占用的时间再划分成再划分成m m个更短的时间片，称为码片。通常个更短的时间片，称为码片。通常m m的值取为的值取为6464或或128128。为
48、了便于说明其原理，取。为了便于说明其原理，取m m的值取为的值取为8 8。 使用使用CDMACDMA的通信站点被事先指定一个唯一的的通信站点被事先指定一个唯一的m m位的位的码片码片序列。一个站点如要发送比特序列。一个站点如要发送比特“1”1”，则就将这个，则就将这个码片码片序列序列的二进制变为信号发送出去；如要发送比特的二进制变为信号发送出去；如要发送比特“0”0”，则就将，则就将这个这个码片码片序列的二进制反码变为信号发送出去。序列的二进制反码变为信号发送出去。 假定一个站点要发送假定一个站点要发送b b个比特位，而对于个比特位，而对于CDMACDMA则要发送则要发送bmbm个比特位，这种
49、通信方式被称为扩频。个比特位，这种通信方式被称为扩频。2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术. 为了便于区分各站点的发送的数据位，为了便于区分各站点的发送的数据位， CDMACDMA系统须为系统须为每个站点分配一个唯一的码片序列，且相互必须是正交的。每个站点分配一个唯一的码片序列，且相互必须是正交的。 令向量令向量S S表示站点表示站点S S的码片序列，用的码片序列，用T T表示其他站点的码表示其他站点的码片序列，则两个不同站点的码片序列正交则须满足下列关片序列，则两个不同站点的码片序列正交则须满足下列关系系：m1Si Ti= 0ST =m1Si Si= 1SS = 如：站点如：站点S S的
50、码片序列为的码片序列为“00011011”00011011”，记为（，记为（-1-1-1-1-1+1+1-1+1+11+1+1-1+1+1）；站点）；站点T T码片序列为码片序列为“00101110”00101110”，记为，记为 （-1-1+1-1+1+1+1-1-1-1+1-1+1+1+1-1），则），则SSSS的计算结果为的计算结果为“1”1”。而一。而一个码片向量与其反码序列的计算结果则为个码片向量与其反码序列的计算结果则为“-1”-1”。2.4 2.4 信道复用技术信道复用技术. 在实际的系统中在实际的系统中, ,若一个若一个X X站点要接收站点要接收S S站点发送的数据站点发送的数
