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
6 计算机网络技术 选取某一频率范围的正（余）弦模拟信号作为载波，然后将要传送的数字数据“寄载”在载 波上，利用数字数据对载波的某些特性（振幅A、频率￡、相位中）进行控制，使载波特性 发生了变化，然后将变化了的载波送往线路进行传输。也就是说，在发送端，需要将二进 制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模拟信号，即所谓的调制(modulation): 而在接收端，则需要将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据，即所谓的解调 (demodulation)。通常将在发送端承担调制功能的设备称为调制器(modulator),而将在 接收端承担解调功能的设备称为调制器(demodulator)。由于数据通信是双向的，所以实 际上在数据通信的任何一方都要同时具备调制和解调功能，我们将同时具备这两种功能的 设备称为调制解调器(modem)。调制解调器俗称为“猎”，当同学们通过传统电话线上网时 就要用到该设备。 由于正弦交流信号的载波可以用Asin(2π∫t+中)表示，即参数振幅A、频率∫和相位 中的变化均会影响信号波形，故振幅A、频率∫和相位中都可作为控制载波特性的参数，又 称为调制参数，并由此产生出三种基本的调制形式。 1.幅度调制 幅度调制又叫振幅键控(ASK),在幅度调制中，频率和相位为常量，幅度随发送的数字 数据而变化。当发送的数据为“1”时，振幅调制信号的振幅保持某个电平不变，即有载波 信号发射：当发送的数据为“0”时，振幅调制信号的振幅为零，即没有载波信号发射。如 图3.4()所示，不难看出，振幅调制实际上相当于用一个受数字基带信号控制的开关来开 启和关闭正弦载波。 幅度调制方式易受突发性干扰的影响，不是一种理想的调制方式。 2.频率调制 频率调制也叫频率键控(S),在频率调制中，振幅和相位为常量，频率为变量。如图 3.4b)所示，数字信号“0”和“1”分别用两种不同频率的波形表示，当传输的数据为“0 时，频率调制信号的角频率为2π∫：当传输的数据为“1”时，频率调制信号的角频率为 2f2 频率调制不仅实现简单，而且比调幅技术有较高的抗干扰性，所以是一种常用的调制 方法。 3.相位调制 相位调制也叫相位键控(PS)。在相位调制中，振幅和频率为常量，但通过控制或改变 正弦载波信号的相位来表示二进制数据。按照使用相位的绝对值还是相位的相对偏移来表 示二进制数据将相位调制分为绝对调相和相对调相：按照对一个完整周期的相位等分方式 将相位调制分为二相制、四相制、八相制等。 绝对调相是指将一个完整载波周期的相位按相制要求进行划分，然后按划分后的相位 绝对值来表示不同的二进制数据。以二相制为例，我们将一个完整周期的相位进行二等分
6 计算机网络技术 选取某一频率范围的正(余)弦模拟信号作为载波，然后将要传送的数字数据“寄载”在载 波上，利用数字数据对载波的某些特性（振幅 A、频率 f、相位ф）进行控制，使载波特性 发生了变化，然后将变化了的载波送往线路进行传输。也就是说，在发送端，需要将二进 制数据变换成能在电话线或其他传输线路上传输的模拟信号，即所谓的调制（modulation）； 而在接收端，则需要将收到的模拟信号重新还原成原来的二进制数据，即所谓的解调 （demodulation）。通常将在发送端承担调制功能的设备称为调制器（modulator），而将在 接收端承担解调功能的设备称为调制器（demodulator）。由于数据通信是双向的，所以实 际上在数据通信的任何一方都要同时具备调制和解调功能，我们将同时具备这两种功能的 设备称为调制解调器（modem）。调制解调器俗称为“猫”，当同学们通过传统电话线上网时 就要用到该设备。 由于正弦交流信号的载波可以用 Asin(2πƒ t+ф)表示，即参数振幅 A、频率ƒ 和相位 ф的变化均会影响信号波形，故振幅 A、频率ƒ 和相位ф都可作为控制载波特性的参数，又 称为调制参数，并由此产生出三种基本的调制形式。 1. 幅度调制 幅度调制又叫振幅键控(ASK)，在幅度调制中，频率和相位为常量，幅度随发送的数字 数据而变化。当发送的数据为“1”时，振幅调制信号的振幅保持某个电平不变，即有载波 信号发射；当发送的数据为“0”时，振幅调制信号的振幅为零，即没有载波信号发射。如 图 3.4(a)所示，不难看出，振幅调制实际上相当于用一个受数字基带信号控制的开关来开 启和关闭正弦载波。 幅度调制方式易受突发性干扰的影响，不是一种理想的调制方式。 2. 频率调制 频率调制也叫频率键控(FSK)，在频率调制中，振幅和相位为常量，频率为变量。如图 3.4(b)所示，数字信号“0”和“1”分别用两种不同频率的波形表示，当传输的数据为“0” 时，频率调制信号的角频率为 2πƒ 1；当传输的数据为“1”时，频率调制信号的角频率为 2πƒ 2。 频率调制不仅实现简单，而且比调幅技术有较高的抗干扰性，所以是一种常用的调制 方法。 3. 相位调制 相位调制也叫相位键控(PSK)。在相位调制中，振幅和频率为常量，但通过控制或改变 正弦载波信号的相位来表示二进制数据。按照使用相位的绝对值还是相位的相对偏移来表 示二进制数据将相位调制分为绝对调相和相对调相；按照对一个完整周期的相位等分方式 将相位调制分为二相制、四相制、八相制等。 绝对调相是指将一个完整载波周期的相位按相制要求进行划分，然后按划分后的相位 绝对值来表示不同的二进制数据。以二相制为例，我们将一个完整周期的相位进行二等分
第3章物理层 从而得到关于相位的绝对值0°和180°，然后，分别用用中=0°代表“0”、中=180°代 表“1”，或者反过来分别用Φ=0°代表“1”、Φ=180°代表“0”。若为四相制，则需要 对一个完整周期的相位进行四等分，使输出相位有四种变化状态，如为0°、90°、180° 和270°，从而可以用这四种相位角变化分别代表二进制数据00,01,10,11。显然，在 四相调制情况下，由于每个载波周期可包含2个比特（位）的信息，从而数据传输效率比二 相调制增加一倍。 所谓相对相位调制则是利用前后码元信号相位的相对偏移来表示不同的二进制数据 的，相对偏移量的大小与采用的相制有关。以两相调制为例，相对偏移取0°和180°两个 值，若所要传输的数据为二进制“1”时，则载波相位要发生180°的跳变：若当传输的为 二进制“0”时，则载波相位不发生跳变，即跳变为0°。 从理论上讲，多相相位调制中的制数是不受限制的，但在实际实现中，我们必须考虑 对微小相位变化的检测能力。可以看出，相位调制方法较幅度调相和频率调相在实现技术 要复杂得多，但其具有很强的抗干扰能力和较高的编码效率。 01000110 -WM w (a)幅度调制 M-----WW ()频率调制 五f2 (c)绝对相位调制 相对相位调制 图34三种调制方式的波形
第 3 章 物理层 7 从而得到关于相位的绝对值 0°和 180°，然后，分别用用Ф＝0°代表“0”、Ф＝180°代 表“1”，或者反过来分别用Ф＝0°代表“1”、Ф＝180°代表“0”。若为四相制，则需要 对一个完整周期的相位进行四等分，使输出相位有四种变化状态，如为 0°、90°、180° 和 270°，从而可以用这四种相位角变化分别代表二进制数据 00，01，10，11。显然，在 四相调制情况下，由于每个载波周期可包含 2 个比特(位)的信息，从而数据传输效率比二 相调制增加一倍。 所谓相对相位调制则是利用前后码元信号相位的相对偏移来表示不同的二进制数据 的，相对偏移量的大小与采用的相制有关。以两相调制为例，相对偏移取 0°和 180°两个 值，若所要传输的数据为二进制“1”时，则载波相位要发生 180°的跳变；若当传输的为 二进制“0”时，则载波相位不发生跳变，即跳变为 0°。 从理论上讲，多相相位调制中的制数是不受限制的，但在实际实现中，我们必须考虑 对微小相位变化的检测能力。可以看出，相位调制方法较幅度调相和频率调相在实现技术 要复杂得多，但其具有很强的抗干扰能力和较高的编码效率。 (a) 幅度调制 (b) 频率调制 (c) 绝对相位调制 相对相位调制 图 3.4 三种调制方式的波形
R 计算机网络技术 3.2传输介质 传输介质泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，特指用来连接各个通信 处理设备的物理介质。传输介质是构成物理信道的重要组成部分，计算机网络中使用各种 传输介质来组成物理信道。 3.2.1传输介质的分类 传输介质包括有线传输介质和无线传输介质两大类。有线介质将信号约束在一个物理 导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等，故又被称作有界介质：而无线传输介质如无线 电波、红外线、激光等由于不能将信号约束在某个空间范围之内，故又被称为无界介质。 究竞选择哪一种传输介质，必须考虑到价格、安装难易程度、容量、抗干扰能力、衰减等 方面的因素，同时还要根据具体的运行环境通盘考虑。下面就一些典型的有线传输介质和 无线传输介质进行介绍。 3.2.2有线传输介质 1.双绞线 双绞线TP(Twisted Pair)是目前使用最广泛，价格最低廉的一种有线传输介质。 “Twisted”源于双绞线电缆的内部结构。在内部由若干对两两绞在一起的相互绝缘的铜导 线组成，导线的典型直径为1m(在0.4m至1.4m之间)。这所以采用这种两两相纹的 绞线技术，是为了抵消相邻线对之间的电磁干扰和减少近端串扰。 双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据 传输率与电缆的长度有关。距离短时，数据传输率可以高一些。典型的数据传输率为10Ms 和100Mbps,也可高达1000Mbps。双绞线按照是否有屏蔽层又可以分为屏蔽双纹线(STP) 和非屏蔽双绞线(UTP)。图3.5给出了STP和UTP的示意图。STP由于采用了良好的屏蔽层， 所以抗干扰性较好，但由于价格较贵，因此在实际组网中用的不是很多。 屏蔽双绞线S 非屏蔽双纹线TP 外套 双绞线 箔屏层 绝缘层 STP接头→子一 J-45接头→二了一 图3.5UTP和STP的示意图
8 计算机网络技术 3.2 传输介质 传输介质泛指计算机网络中用于连接各个计算机的物理媒体，特指用来连接各个通信 处理设备的物理介质。传输介质是构成物理信道的重要组成部分，计算机网络中使用各种 传输介质来组成物理信道。 3.2.1 传输介质的分类 传输介质包括有线传输介质和无线传输介质两大类。有线介质将信号约束在一个物理 导体之内，如双绞线、同轴电缆和光纤等，故又被称作有界介质；而无线传输介质如无线 电波、红外线、激光等由于不能将信号约束在某个空间范围之内，故又被称为无界介质。 究竞选择哪一种传输介质，必须考虑到价格、安装难易程度、容量、抗干扰能力、衰减等 方面的因素，同时还要根据具体的运行环境通盘考虑。下面就一些典型的有线传输介质和 无线传输介质进行介绍。 3.2.2 有线传输介质 1. 双绞线 双绞线 T P（Twisted Pair）是目前使用最广泛，价格最低廉的一种有线传输介质。 “Twisted”源于双绞线电缆的内部结构。在内部由若干对两两绞在一起的相互绝缘的铜导 线组成，导线的典型直径为 1mm（在 0.4 mm 至 1.4 mm 之间）。这所以采用这种两两相绞的 绞线技术，是为了抵消相邻线对之间的电磁干扰和减少近端串扰。 双绞线既可以传输模拟信号，又能传输数字信号。用双绞线传输数字信号时，其数据 传输率与电缆的长度有关。距离短时，数据传输率可以高一些。典型的数据传输率为 10Mbps 和 100Mbps，也可高达 1000Mbps。双绞线按照是否有屏蔽层又可以分为屏蔽双绞线（STP） 和非屏蔽双绞线（UTP）。图 3.5 给出了 STP 和 UTP 的示意图。STP 由于采用了良好的屏蔽层， 所以抗干扰性较好，但由于价格较贵，因此在实际组网中用的不是很多。 STP接头 绝缘层 双绞线 箔屏蔽层 外套 屏蔽双绞线 STP 非屏蔽双绞线 UTP RJ-45接头 绝缘层 双绞线 外套 图 3.5 UTP 和 STP 的示意图
第3章物理层 9 关于双绞线标准主要来自EIA(电子工业协会)的TIA(远程通信工业分会)，即通常 所说的EIA/TIA。到目前为止，EIA/TIA已颁布了六类(Category,简写为Cat)线缆的标 准。其中： ·Cat1:适用于电话和低速数据通信： ·Cat2:适用于ISDN及T1/E1,支持高达16Mz的数据通信： ●Cat3:适用于10Base-T或100Mbps的100Base-T4,支持高达20Mz的数据通信： ●Cat5:适用于100Mbps的100Base-TX和100Base-T4,支持高达100Mz的数据通 信。 ●Cat6:适用于1000Mbps的1000Base-TX,支持高达1000Mz的数据通信。 使用双纹线作为传输介质的优越性在于其技术和标准非常成熟，价格低廉，而且安装 也相对容易：其缺点是双绞线对电磁干扰比较敏感，并且容易被窃听。双绞线目前主要用 于至内。 同轴电缆由绕在同一轴线上的两种导体组成，如图3.6所示。同轴电缆中央是一根比 较硬的铜导线或多股导线，外面由一层绝缘材料包裹，这一层绝缘材料又被第二层导体所 包住，第二层导体可以是网状的导体（有时是导电的铝箔），主要用来屏蔽电磁干扰，最外 面由坚硬的绝缘塑料包住。 屏蔽导体 图3.6同轴电缆 同轴电缆通常使用的有50Ω和752两种类型。50Q同轴电缆又称基带同轴电缆，仅 用于数字信号传输。75Ω同轴电缆又称为宽带同轴电缆，既可以传输模拟信号，又可以传 输数字信号。 为了确保导线传输信号的良好的电气特性，电缆必须接地，接地是为了构成一个必要 的电气回路。另外，还要对电缆的端头进行处理，通常要在端头连接终端匹配负载以起到 削弱信号反射的作用。 同轴电缆的价格随直径及导体的不同而不同，通常介于双绞线与光纤之间，且细缆相 对粗缆便宜一些。同轴电缆抗电磁干扰能力比双绞线强，但其安装较双纹线复杂，其典型 的传输速率通常为I0Mbs。当双绞线与光纤作为两大类主流的有线传输介质被广泛使用时， 目前最新的布线标准中已不再推荐使用同轴电缆。 3.光纤 光纤是光导纤维电缆的简称，又称光缆。光纤不能像其他铜线介质那样传输电信号
第 3 章 物理层 9 关于双绞线标准主要来自 EIA（电子工业协会）的 TIA（远程通信工业分会），即通常 所说的 EIA / TIA。到目前为止，EIA / TIA 已颁布了六类(Category,简写为 Cat)线缆的标 准。其中： z Cat1：适用于电话和低速数据通信； z Cat2：适用于 ISDN 及 T1/E1，支持高达 16MHz 的数据通信； z Cat3：适用于 10Base-T 或 100Mbps 的 100Base-T4，支持高达 20MHz 的数据通信； z Cat5：适用于 100Mbps 的 100Base-TX 和 100Base-T4，支持高达 100MHz 的数据通 信。 z Cat6：适用于 1000Mbps 的 1000Base-TX，支持高达 1000MHz 的数据通信。 使用双绞线作为传输介质的优越性在于其技术和标准非常成熟，价格低廉，而且安装 也相对容易；其缺点是双绞线对电磁干扰比较敏感，并且容易被窃听。双绞线目前主要用 于室内。 同轴电缆由绕在同一轴线上的两种导体组成，如图 3.6 所示。同轴电缆中央是一根比 较硬的铜导线或多股导线，外面由一层绝缘材料包裹，这一层绝缘材料又被第二层导体所 包住，第二层导体可以是网状的导体(有时是导电的铝箔)，主要用来屏蔽电磁干扰，最外 面由坚硬的绝缘塑料包住。 图 3.6 同轴电缆 同轴电缆通常使用的有 50Ω 和 75Ω 两种类型。50Ω 同轴电缆又称基带同轴电缆，仅 用于数字信号传输。75Ω 同轴电缆又称为宽带同轴电缆，既可以传输模拟信号，又可以传 输数字信号。 为了确保导线传输信号的良好的电气特性，电缆必须接地，接地是为了构成一个必要 的电气回路。另外，还要对电缆的端头进行处理，通常要在端头连接终端匹配负载以起到 削弱信号反射的作用。 同轴电缆的价格随直径及导体的不同而不同，通常介于双绞线与光纤之间，且细缆相 对粗缆便宜一些。同轴电缆抗电磁干扰能力比双绞线强，但其安装较双绞线复杂，其典型 的传输速率通常为10Mbps。当双绞线与光纤作为两大类主流的有线传输介质被广泛使用时， 目前最新的布线标准中已不再推荐使用同轴电缆。 3. 光纤 光纤是光导纤维电缆的简称，又称光缆。光纤不能像其他铜线介质那样传输电信号
10 计算机网络技术 它只能传输光信号。图3.7给出了光纤的示意图，从横截面看，每根光纤都由内芯和反射包 层构成，内芯由纯度非常高的玻璃纤维制成，其折射率较高，而反射包层则是一层薄薄的 玻璃或塑料，其折射率较低。基于光的全反射，光会被限制在光导纤维中传输 加固层 塑料样蔽层 玻璃纤芯 光纤多模连接器 图3.7光纤的示意图 光纤既不受电磁干扰，也不受无线电的干扰，由于可以防止内外的噪声，所以光纤中 的信号可以比其他有线传输介质传得更远。由于光纤本身只能传输光信号，为了使光纤能 传输电信号，光纤两端必须配有光发射机和光接收机，光发射机完成从电信号到光信号的 转换，光接收机则完成从光信号到电信号的转换。光电转换通常采用载波调制方式，光纤 中传输的是经过了调制的光信号。 根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤采用发 光二极管LD作为光源，定向性较差。当光纤芯线的直径比光波波长大很多时，由于光束 进入芯线中的角度不同，传播路径也不同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向 前传播。多模光纤的传输距离一般在2k以内。单模光纤采用注入式激光二极管LD作为 光源，激光的定向性强。单模光纤的芯线直径一般为几个光波的波长，当激光束进入芯线 中的角度差别很小时，能以单一的模式无反射地沿轴向传播。单程光纤的传输率较高，但 比多草光纤更难制浩，价格更高。通常在室内采用多草光纤，而在室外采用单模光纤。 光纤的主要优点是支持极高的频带宽度，数据传输速率高（大于10OMbs),衰减极低， 传输距离远，日抗干忧能力和保密性能强。但是光纤的线缆成本高并日车接比较复杂。光 缆目前主要用于长距离的数据传输和网络的主干线，或被用于有危险的、高压的或容易泄 漏信号的恶劣环境。但随着光纤的价格不断降低，其使用范围也越来越广。 3.2.3无线传输介质 如果不使用有线介质，则可以在空间利用电磁波直接发送和接收信号。实际上，地球
10 计算机网络技术 它只能传输光信号。图 3.7 给出了光纤的示意图，从横截面看，每根光纤都由内芯和反射包 层构成，内芯由纯度非常高的玻璃纤维制成，其折射率较高，而反射包层则是一层薄薄的 玻璃或塑料，其折射率较低。基于光的全反射，光会被限制在光导纤维中传输。 外套 光纤多模连接器 加固层 塑料屏蔽层 玻璃纤芯 图 3.7 光纤的示意图 光纤既不受电磁干扰，也不受无线电的干扰，由于可以防止内外的噪声，所以光纤中 的信号可以比其他有线传输介质传得更远。由于光纤本身只能传输光信号，为了使光纤能 传输电信号，光纤两端必须配有光发射机和光接收机，光发射机完成从电信号到光信号的 转换，光接收机则完成从光信号到电信号的转换。光电转换通常采用载波调制方式，光纤 中传输的是经过了调制的光信号。 根据使用的光源和传输模式，光纤可分为多模光纤和单模光纤两种。多模光纤采用发 光二极管 LED 作为光源，定向性较差。当光纤芯线的直径比光波波长大很多时，由于光束 进入芯线中的角度不同，传播路径也不同，这时光束是以多种模式在芯线内不断反射而向 前传播。多模光纤的传输距离一般在 2km 以内。单模光纤采用注入式激光二极管 ILD 作为 光源，激光的定向性强。单模光纤的芯线直径一般为几个光波的波长，当激光束进入芯线 中的角度差别很小时，能以单一的模式无反射地沿轴向传播。单程光纤的传输率较高，但 比多模光纤更难制造，价格更高。通常在室内采用多模光纤，而在室外采用单模光纤。 光纤的主要优点是支持极高的频带宽度，数据传输速率高(大于 100Mbps)，衰减极低， 传输距离远，且抗干扰能力和保密性能强。但是光纤的线缆成本高并且连接比较复杂。光 缆目前主要用于长距离的数据传输和网络的主干线，或被用于有危险的、高压的或容易泄 漏信号的恶劣环境。但随着光纤的价格不断降低，其使用范围也越来越广。 3.2.3 无线传输介质 如果不使用有线介质，则可以在空间利用电磁波直接发送和接收信号。实际上，地球
