第三章 物理层
3.1物理层的基本概念
物理层的作用 是在连接计算机的各种传输媒体上透明地传输比特流。
网络中的物理设备和传输媒体种类繁多，通信手段也有多种方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使上一层感觉不到这些差异。
物理层的主要任务 是描述设备之间及设备与传输媒体之间接口的一些特性。主要有四个特性：
1,机械特性,指接口的形状和尺寸、引脚数目和排列等
2,电气特性,什么样的电压表示 1和 0，传输距离、速率
3,功能特性,每条传输线的功能。
4,规程特性,传输线上不同功能的各种事件的出现顺序。
3.2数据通信的基本知识
3.2.1数据通信系统的模型
MODEM：调制解调器,包括调制器和解调器，调制器用来将计算机发出的数字信号转换成适合于电话线传输的模拟信号；解调器则用来将电话线传来的模拟信号还原成数字信号交给计算机。
CODEC:编码解码器,包括编码器和解码器，
编码器用来将模拟信号转换成数字信号；解码器则用来将数字信号还原成模拟信号。
3.2.2有关信道的几个基本概念
1、从双方信息交互的方式来看，通信方式有三种：
方式 单工方式 半双工方式 全双工方式描述只 支 持 数 据的单 向 流动 。
一 方 发 送,
另一 方 接收 。
双方都可以发送信息,但不能同时发送,
必须交替进行 。
双方可以同时发送和接收信息 。 效率高,
但需多条线路 。
信号,是数据的电气或电磁表现。
数字信号、模拟信号、数字信道、模拟信道
数字信号只有不变化到不可识别的程度都可再生还原，而模拟信号一旦变化不能还原，因此采用数字传输服务质量高，另外进行差错控制、加密等，是今后的发展趋势。
基带信号,将数字信号的 1或 0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
宽带信号,将基带信号进行调制后形成的模拟信号采用频分多路复用的方式进行传输。
总是希望在信道上传送尽可能多的码元，但过多会发生失真。传输的极限值是多少？
尼奎斯特 推导出 在 理想低通信道 (就是信号的频率低某个上限的分量都能通过，高于一限的不能通过 )下：
最高码元传输速率 =2W Baud
W为信道带宽 (Hz)，
Baud是波特，是码元传输速率的单位,1波特为每秒传输 1个码元。
如一个 3KHz的低通信道，其最高码元速率为
6000Baud.
3.2.3信道上的最高码元传输速率
在 理想带通信道 (就是信号的频率在 f1~f2的分量都能通过，低于 f1或高于 f2的不能通过 )下：
最高码元传输速率 =W Baud
W为信道带宽 (Hz)，
波特和比特率不同波特 表示：码元 /秒，通常用来表示 MODEM的调制速率，调制一次传输一个码元，一次调制可传送多位信息，即一个码元可代表多个比特。
如采用 8相调制，调制一次有 8种可能的状态，
每种状态可给予一个 3位编码。
比特率 表示：比特 /秒比特率 =N*波特
香农 在 1948年进一步把尼奎斯特的结论扩展到有 随机嘈声影响的信道，给出了著名的 香农定理,指出了信道带宽与信道容量之间的关系：
C=W log2 (1+S/N) (bps)
这里,C为信道容量,W为信道带宽,
N为噪声功率,S为信号功率。
对于 3.1kHz带宽的标准电话信道，如果信噪比
S/N=2500，则无论采用何种先进技术，极限速率为 35kbit/s.
1.3物理层下面的传输媒体
3.3.1导向传输媒体（有线介质）
1,双绞线双绞线 (Twisted pair，缩写为 TP)
双绞线是目前局域网中 最常用的传输介质 。
双绞线是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，
成对扭绞的作用是尽可能减少相邻导线的电磁干扰,因为电磁场在两根导线上产生的干扰信号大小相等,方向相反 而相互抵消。
双绞线分为分为 非屏蔽双绞线 (UTP)和屏蔽双绞线 (STP)。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹以降低干扰、减小幅射，但价格较贵
双绞线价格便宜，安装方便，但抗干扰能力差，
传输速率目前一般为 100兆 bps（位 /秒），传输距离不超过 100米 。
大多数局域网使用非屏蔽双绞线来组网,UTP
分 5类，从 1~5类，现在超 5类和 6类线已开始试用，最常用的 UTP是 3类线和 5类线，两者的区别在于每单位长度绞合的次数不同,3类双绞线的速率为 10Mb/S,5类双绞线 的速率可达
100Mb/S，超 5类更可达 155Mb/s以上 。
通常将四对双绞线封装在一个绝缘外套中，接口名称为 RJ45，如下图所示双绞线的接线标准
双绞线布线标准分为 EIA/TIA 568A,568B两种。
EIA/TIA 568A：
1白绿 2绿 3白橙 4蓝 5白蓝 6 橙 7白棕 8 棕
EIA/TIA 568B：
1白橙 2 橙 3白绿 4蓝 5白蓝 6绿 7白棕 8棕
一根双绞线两端 RJ45接头的做法有两种：一种是 平行线（也叫直连线）,一种 是交叉线 。所谓的直连线就是线的两头采用同样的做法，要么两头都用 T568A来做，要么两头都用 T568B
来做。而交叉线就是一头用 T568A，而另外一头就用 T568B（ 1<-->3,2<-->6的顺序互换 ），
平常实际应用中是怎么使用这两种线的呢？
应 用 类 别 接线方法计算机 ——计算机 交叉线计算机 ——交换机 平行线交换机 ——交换机 交叉线或者平行线或 (HUB)——(HUB)
一般交换机或 HUB上都有一个 UPLINK端口，这主要是方便级联的。
1、交换机的 UPLINK口 (级联口 )连接到交换机的普通口； 用平行线 。
2、交换机的 UPLINK口连接到交换机的 UPLINK口；
用交叉线 。
3、交换机的普通口连接到交换机的普通口； 用交叉线 。
2、同轴电缆细缆及
BNC
接口图
同轴电缆分类：
细缆,接口为 BNC
50欧的基带同轴电缆
（局域网常用） 粗缆：接口为 AUI
75欧的宽带同轴电缆：如有线电视电缆，计算机通信中,宽带系统”指采用频分复用和模拟传输技术的同轴 电缆网络
基带数字信号的编码：
基带数字信号的最大问题是当出现一长串的连
1或连 0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。如
曼彻斯特编码每一位中间都有跳变,从高到低表示 1，从低到高表示 0，这对接收端提取位同步信号非常有利。
差分曼彻斯特编码 每一位中间都有跳变，根据每一位的 起始点 是否有跳变来确定编码值，无跳变表示 1，有跳变表示 0。
75欧姆宽带同轴电缆
宽带同轴电缆用于传输模拟信号时，其频率可高达 500MHZ以上，传输距离可达 100KM，通常划分为若干个信道。如每 6MHZ的信道可传送一路模拟信号。
由于在宽带系统中要用到放大器来放大模拟信号，而这种 放大器只能单向工作,因此 要实现全连通，需要有发送和接收两条分开的数据通路 。可采用双电缆系统或单电缆系统。
双电缆系统 中发送和接收采用不同的电缆，头端的作用是将发送电缆发过来的信息转换到接收电缆。如下图所示
单电缆系统 采用一根电缆，但发送和接收使用不同的频带，各占一半。 头端的作用是变频 。
3、光缆
光纤主要由纤芯和包层组成，纤芯由非常透明的 石英玻璃 拉成细丝，直径只有分 8~100微米。
采用光传输，有光为 1，无光为 0，可见光的频率非常高，可达 108MHZ，速率可达 2.5Gbps。
光纤分 单模光纤和多模光纤 。单模光纤直径更细，
传输距离更远，价格更高，采用激光；多模光纤采用可见光。
光纤接口
ST
光纤通信原理当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，如果入射角足够大，就会发生 全反射,即光线碰到包层时就会折射回纤芯，不断重复，沿光纤传输。
光纤是广域网中常用的传输介质,通常也用于局域网间远距离的连接，如校园网各校区间的连接。
光纤 采用光传输,发送方由光发射机产生光束，将电信号变为光信号，再把光信号导入光纤，在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号，并把它还原为电信号。
光纤有很多 优点,直径细，重量轻；传输距离远；
传输速率高，可达数千兆 bps；采用光信号传输，不受电磁辐射影响，抗干扰能力强；光信号不会向外泄露，安全、保密性好；光纤的主要成分是玻璃，
资源丰富。但其价格较贵，且需要高水平的安装技术，所以目前尚未普及，光纤通信是今后高速网络的发展趋势。
3.3.2非导向传输媒体
无线主要采用 微波、红外线和激光 三种技术，
目前无线建网费用较高，还不太普及。但由于连网方式灵活方便，很有发展前途。
微波通信主要有两种方式,地面微波接力通信和卫星通信 。
由于微波是直线传播，而地球表面是曲面，
因此其传播距离受到限制，需中继。
3.4模拟传输与数字传输
3.4.1模拟传输系统电话通信系统采用的是分级交换,目前，分 3级：
最低一级是 市话电话网 ；上一级是 本地网,其交换中心有 320个左右；最上面是 省的交换中心,
30个，各省的交换中心组成全连通网络。
长途干线最初采用 频分多路复用 FDM的传输方式，
也就是许多用户可在同样时间使用传输线路，
但各自占用的频率范围不同而互不干扰，一个标准话路的频率为 300~3400Hz，需留有一定的间隔，国际上取 4KHz，长途干线复用的话路数可有 60路,300路或 1800路等。
在长途干线中，由于使用了只能单向传输的放大器，因此不能像 市话线路那样使用二线制,
而要用两对线（ 四线制 ）来分别发送和接收，
在二线制和四线制的转换过程中，会有一部分话音反射回来进入讲话人的耳机，产生回波，
影响交谈。因此，需在长途电话线路中安装 回波抑制器,当检测到某一方在讲话时，自动将其接收端切断。回波抑制器将全双工的电路变成了半双工的
目前,我国的长途线路已基本实现数字化,只有从用户电话机到市交换机是模拟电路。
3.4.2调制解调器
1、调制解调器的作用计算机的数字信号经过模拟传输系统后会严重失真，主要原因是基带信号包含有各种频率成分，只有 300~3400Hz的能通过，此外还有衰减及干扰。
调制解调器的作用 是：将计算机发出的数字信号转换成适合于电话线传输的模拟信号
（ 300~3400Hz）
2、几种最基本的调制方法调制 就是将数字信号加载到正弦波上，即改变正弦波的参数（振幅、频率、相位）
（ 1） 调幅 （ AM）：如 0表示无载波,1表示有
（ 2） 调频 （ FM）：如频率 f1表示 0,f2表示 1
（ 3） 调相 （ PM）：如初相角 00表示 0,1800表示 1
调相可有 四相调制,采用四种初相角度数 0度 90度 180度 270度数值 00 01 10 11
一次调制可传送两位信息比特率 =波特 *2
调相可有 八相调制,采用八种初相角度数 0 45 90 135 180 225 270 315
数值 001 000 010 011 111 110 100 101
一次调制可传送三位信息比特率 =波特 *3
此外，还有调幅与调相相结合，如采用 8种相位、
两种振幅，一次调制可传送多少位信息？
3、关于调制解调器的速率根据香农公式，电话线路由于噪声干扰，其 极限传输速率只能达到 35Kbps，通常速率 V.34
为 33.6K，但目前已出现的 V.90标准已达 56K，
是何原因？
调制解调器上网时要多次经过 A/D（模 /数）转换和 D/A（数 /模）转换，其中 最大的噪声来自
A/D（模 /数）转换,通过减少 A/D转换的次数，
即能减少量化噪声，提高速率。
56KModem是指下行速率为 56K，上行速率仍为 33.6K。
若两个用户各使用一个 56KModem进行通信，
能否达到 56K的速率？
56KModem的使用条件是 ISP与电话交换机之间都是数字信道。
4、调制解调器使用异步通信方式数据通信分为 异步传输 (异步通信 )与同步传输
(同步通信 )两大类 。
无论是异步传输还是同步传输都需要进行 位同步,也就是接收方必须能从比特流中识别出每一位,不能多,也不能少 。
1)异步传输：以字符为单位的数据传输,如键盘与计算机之间 。
方法：没有信号传输时,线路为高电平；发送数据之前,先发一位起始位 (低电平 )；接下来是 5-8位的数据位和一位校验位；最后是 1-
2位的停止位 。
发送端与接收端必须采用相同的速率,相同的设置 。
例题：画出在异步串行传输方式下采用 1位起始位,7位数据位,1位奇校验和 1位停止位传送二进制值（数据位） "0100010"时的编码波形 (逻辑 "0"为低电平 )。
异步传输控制简单，但 通信开销大，效率低,
仅适合于低速通信 。
同步传输：以数据块为单位的数据传输 。
方法：每数据块都要加同步字符或比特序列，分两类：
面向字符的同步传输：采用同步字符 SYN，数据块为若干个字符。
面向位流的同步传输：采用同步标志 (01111110),数据块为任意比特流。计算机网络中目前主要采用该方式。
采样定理,采样频率不低于信号最高频率的两倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的模拟信号。
同步通信开销小、效率高,但控制复杂，全网需采用统一的时钟源。
3.4.3数字传输系统
现有的数字传输系统采用脉码调制 PCM。
将模拟信号转换成数字信号要经过三个阶段：
采样 量化 编码
电话信号的最高频率为 3.4KHz，为方便起见，
采样频率定为 8KHz，采样周期为 125微秒 。每次采样信号采用 7位 (北美 )或 8位 (欧洲及我国 )
编码。采用 8位编码，一条话路的速率为多少?
长途干线采用时分多路复用 的方式，各用户在不同的时隙占用共享信道。
PCM有两种互不兼容的国际标准，即北美的 24
路 PCM(简称 T1)和欧洲的 30路 PCM(简称 E1)，
我国采用 E1标准。
32个时隙中 CH0用作帧同步用,CH16用来传送信令（如用户的拨号信令），其余传话音数据。
在 125微秒的时间对所有话路采样一次,E1的速率为,
一遍 32个时隙 *每个时隙编码 8位 *采样 8000遍 /秒
=2.048Mbps.
北美的 T1标准共 24个话路，每个话路 7位编码，
再加上一位信令码元，也是 8位。帧同步码是在 24路的编码之后加上 1位，这样每帧共 193位。
T1的速率为,
(193位 /帧 )*(8000帧 /秒 )=1.544Mbps.
多个一次群可以组合成一个二次群，多个二次群可以组合成一个三次群，见书 P57，表 3-1
数字传输具有很多优越性,但传统电话系统由于由模拟信道和数字信道混合组成，数字传输的优越性未得到充分发挥。今后将改为全数字网，如 ISDN为全数字网。
3.5 信道复用技术
信道多路复用技术有：
1,频分复用 FDM
2,时分复用 TDM
3,统计时分复用 STDM
4,密集波分复用 DWDM
5,码分多址 CDMA
1,频分复有 FDM
是所有用户在同样的时间占用不同的频带，
适合于传输模拟信号。
2,时分复用 TDM
用户按时隙轮流占用公用信道。不同用户有不同的时间占用同样的频带宽度。适合于传输数字信号。
当使用时分复用系统传送数据时，当某一段时间无数据传送时，也只能让已分配到的子信道
(时隙 )空闭着，造成 线路资源的浪费 。见书
P59 图 3-32，这种时分复用又叫 同步时分复用 。
3,统计时分复用 STDM
是一种改进的时分复用，时隙不是采用固定分配，而是 动态地分配 。当扫描到该用户时，
如果没有数据传输，则跳过去，扫描下一个。
见书 P60 图 3-23
由于帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，
因此每个时隙中还必须有用户的地址信息，以便接收方接收。 ATM就是采用异步传输方式。
波分复用 WDM
主要用于光纤传输，单模光纤的传输速率可达 2.5Gbps，
再提高就比较困难了。因为光的色散问题 (光脉冲中不同频率的分量的传输速率不同 )难以解决。
人们借用频分复用的概念，用一根光纤来传输多种不同波长的光。见书 P61 图 3-24
现在已能做到在一根光纤上复用 80路或更多路不同波长的光，称为 密集波分复用 (DWDM)。
通常在一根光缆中放入尽可能多的光纤 (如 100
根 )，然后对每根光纤采用密集波分多路复用技术。例对 100根速率为 2.5Gbps的光纤采用 16倍的复用，可得到 4Tbps的速率。
4、码分复用
主要用于无线通信中。
码分多址 CDMA允许每一个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
在 CDMA中,将要发送的每一个比特用 m位的码片来表示 。设 m取 8。
CDMA的 每一个站被指派一个唯一的 m位码片序列 。一个站如果要发送比特 1，则发送它自己的 m位码片序列。一个站如果要发送比特 0，
则发送该码片序列的二进制反码。
如指派给 S站的码片序列为 00011011，当发送 1
时，它就发送序列 00011011，当发送 0时，就发送 11100100，为了方便起见，将码片序列中的 0写成 -1，将 1写成 +1，因此 S站的码片序列为,-1-1-1+1+1-1+1+1。
如果 S站要发送信息的速率为 b bit/s，由于每个个比特要占 m个比特的码片，则 S站实际发送的速率应为 mb bitp/s。
CDMA的重要特点：
1、系统给每个站分配的 码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 。即
设 S为 (-1-1-1+1+1-1+1+1),T为 (-1-1+1-1+1+1+1-1),
将两者的分量代入，可以看出 S和 T是正交的。且
S和各站码片反码的向量内积也是 0。
2,任何一个码片向量 S的规格化内积 (S.S)是 1，
而 任何一个码片向量和该码片反码向量的规格化内积是 -1
设 X站要接收 S站发送的数据。 X站必须知道 S
站特有的码片序列 (如 -1-1-1+1+1-1+1+1) 。
由于系统中有很多站在通信,X站收到的信号是各个站发送的码片序列之和 (如 -1+1-3+1-1-
3+1+1)。
X站用 S的码片向量与接收到的码片序列进行求内积的运算，运算结果是 所有其它站的信号都被过滤掉 （因其内积的相关项都是 0）,只剩下 S站发送的信号 。当 S站发送 1，在 X站计算内积的结果是 +1，当 S站发送 1，在 X站计算内积的结果是 -1,S没发送时，内积为 0。
计算上例中 S发送的是 1，是 0，还是没发送？
3.6 同步光纤网 SONET和同步数字系列 SDH
前面介绍的数字传输系统存在着许多缺点。
1,速率标准不统一如 E1和 T1。
2,不是同步传输为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。必须采用复杂的脉冲填充方法来补偿由于频率不准确而造成的误差。
为了解决上述问题，美国在 1988年推出了一个数字传输标准，叫 同步光纤网 SONET，为光纤传输系统定义了线路速率的等级结构，其传输速率以 51.84Mbit/s为基础,此速率对光信号称为 OC-1，对电信号称为 STS-1
ITU-T以美国标准为基础，制定出 国际标准,
叫 同步数字系列 SDH。与 SONET不同的是
SDH的基本速率为 155.52Mbit/s，称为 STM-1，
相当于 OC-3,SONET和 SDH速率等级对照表见书 P63，表 3-2
SONET和 SDH实现了数字传输的世界性标准，
已成为新一代理想的传输体制。
SONET定义了四个光接口层，有点像 OSI的参考模型。见书 P64，图 3-15，自下而上为：
光子层,比特传输，并进行电信号和光信号的转换。
数字段层,成帧及差错控制。
线路层,线路的复用与分用。
路径层,负责交换。
3.7EIA-232-E接口标准
EIA-232-E是美国电气电子工程师协会制定的物理层标准，定义了 DTE和 DCE之间的接口 。
DTE是数据终端设备,也就是具有一定的数据处理能力以及发送和接收能力的设备，如计算机。
DCE是数据电路端接设备,在 DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，将 DTE传过来的数据逐比特发往传输线路。如 Modem。
DTE和 DCE之间一般都有许多条并行线，包括信号线和控制线，两者必须高度协调地工作，
对其接口必须进行标准化。见书 P65，图 3-26
EIA-232的主要特点：
机械特性,使用 25根引脚的 DB-25插头。
电气特性,采用负逻辑,用 -5V~-15V的电压表示二进制 1，用 +5V~+15V的电压表示二进制 0；允许的最大传输速率为 20kb/s；最长可驱动电缆 15m
功能特性,规定了 25针各与 哪些 电路连接，以及每个信号的含义。其中九根线是常用的，如下图所示（将图中的,保护地,除外）。
规程特性,规定了 DTE和 DCE之间所发生的事件的合法序列。 A与 B通信的几个主要步骤如下：
（ 1） DTE-A将引脚 20“DTE就绪”置为 ON，同时通过引脚 2“发送数据”向 DCE-A传送电话号码。
（ 2） DCE-B将引脚 22“振铃指示”置为 ON，通知 DTE-B
有呼叫信号到达,DTE-B将其引脚 20“DTE就绪”置为
ON,DCE-B接着产生载波信号，并将引脚 6“DCE就绪”
置为 ON，表示已准备好接收数据。
（ 3）当 DCE-A检测到载波信号时，将引脚 8“载波检测”
和引脚 6“DCE就绪”都置为 ON，以便 DTE-A知道通信电路已经建立。
（ 4） DCE-A接着向 DCE-B发送载波信号,DCE-B将其引脚 8“载波检测”置为 ON。
（ 5） DTE-A将引脚 4“请求发送”置为 ON,DCE-A将引脚 5“允许发送”置为 ON,DTE-A通过引脚 2“发送数据”
（ 6） DCE-B收到后经过引脚 3“接收数据”向 DTE-B发送。
有时需要 将两台计算机通过 EIA-232串口直接连接,为了不改动计算机内标准的串行接口线路，可以采用 虚拟调制解调器 方法，所谓虚拟调制解调器就是一段线缆，见书 P67，图 3-29。
EIA-232接口标准的两个最大缺点是,最高速率 20Kb/s，最大长度 20m。 EIA于 1977年又制定了新的标准 RS-449。
RS-449 由 3个标准组成,即
（ 1） RS-449规定了接口的机械、功能和规程特性。采用 37针引脚。
（ 2） RS-423-A规定了在采用非平衡传输（即所有电路共用一个公共地）时的电气特性。
300Kb/s,10m.
（ 3） RS-422-A规定了在采用平衡传输（即所有电路没有公共地）时的电气特性。 2Mb/s,
60m.
3.1物理层的基本概念
物理层的作用 是在连接计算机的各种传输媒体上透明地传输比特流。
网络中的物理设备和传输媒体种类繁多，通信手段也有多种方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使上一层感觉不到这些差异。
物理层的主要任务 是描述设备之间及设备与传输媒体之间接口的一些特性。主要有四个特性：
1,机械特性,指接口的形状和尺寸、引脚数目和排列等
2,电气特性,什么样的电压表示 1和 0，传输距离、速率
3,功能特性,每条传输线的功能。
4,规程特性,传输线上不同功能的各种事件的出现顺序。
3.2数据通信的基本知识
3.2.1数据通信系统的模型
MODEM：调制解调器,包括调制器和解调器，调制器用来将计算机发出的数字信号转换成适合于电话线传输的模拟信号；解调器则用来将电话线传来的模拟信号还原成数字信号交给计算机。
CODEC:编码解码器,包括编码器和解码器，
编码器用来将模拟信号转换成数字信号；解码器则用来将数字信号还原成模拟信号。
3.2.2有关信道的几个基本概念
1、从双方信息交互的方式来看，通信方式有三种：
方式 单工方式 半双工方式 全双工方式描述只 支 持 数 据的单 向 流动 。
一 方 发 送,
另一 方 接收 。
双方都可以发送信息,但不能同时发送,
必须交替进行 。
双方可以同时发送和接收信息 。 效率高,
但需多条线路 。
信号,是数据的电气或电磁表现。
数字信号、模拟信号、数字信道、模拟信道
数字信号只有不变化到不可识别的程度都可再生还原，而模拟信号一旦变化不能还原，因此采用数字传输服务质量高，另外进行差错控制、加密等，是今后的发展趋势。
基带信号,将数字信号的 1或 0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
宽带信号,将基带信号进行调制后形成的模拟信号采用频分多路复用的方式进行传输。
总是希望在信道上传送尽可能多的码元，但过多会发生失真。传输的极限值是多少？
尼奎斯特 推导出 在 理想低通信道 (就是信号的频率低某个上限的分量都能通过，高于一限的不能通过 )下：
最高码元传输速率 =2W Baud
W为信道带宽 (Hz)，
Baud是波特，是码元传输速率的单位,1波特为每秒传输 1个码元。
如一个 3KHz的低通信道，其最高码元速率为
6000Baud.
3.2.3信道上的最高码元传输速率
在 理想带通信道 (就是信号的频率在 f1~f2的分量都能通过，低于 f1或高于 f2的不能通过 )下：
最高码元传输速率 =W Baud
W为信道带宽 (Hz)，
波特和比特率不同波特 表示：码元 /秒，通常用来表示 MODEM的调制速率，调制一次传输一个码元，一次调制可传送多位信息，即一个码元可代表多个比特。
如采用 8相调制，调制一次有 8种可能的状态，
每种状态可给予一个 3位编码。
比特率 表示：比特 /秒比特率 =N*波特
香农 在 1948年进一步把尼奎斯特的结论扩展到有 随机嘈声影响的信道，给出了著名的 香农定理,指出了信道带宽与信道容量之间的关系：
C=W log2 (1+S/N) (bps)
这里,C为信道容量,W为信道带宽,
N为噪声功率,S为信号功率。
对于 3.1kHz带宽的标准电话信道，如果信噪比
S/N=2500，则无论采用何种先进技术，极限速率为 35kbit/s.
1.3物理层下面的传输媒体
3.3.1导向传输媒体（有线介质）
1,双绞线双绞线 (Twisted pair，缩写为 TP)
双绞线是目前局域网中 最常用的传输介质 。
双绞线是由两根绝缘铜导线相互扭绕而成，
成对扭绞的作用是尽可能减少相邻导线的电磁干扰,因为电磁场在两根导线上产生的干扰信号大小相等,方向相反 而相互抵消。
双绞线分为分为 非屏蔽双绞线 (UTP)和屏蔽双绞线 (STP)。屏蔽双绞线电缆的外层由铝泊包裹以降低干扰、减小幅射，但价格较贵
双绞线价格便宜，安装方便，但抗干扰能力差，
传输速率目前一般为 100兆 bps（位 /秒），传输距离不超过 100米 。
大多数局域网使用非屏蔽双绞线来组网,UTP
分 5类，从 1~5类，现在超 5类和 6类线已开始试用，最常用的 UTP是 3类线和 5类线，两者的区别在于每单位长度绞合的次数不同,3类双绞线的速率为 10Mb/S,5类双绞线 的速率可达
100Mb/S，超 5类更可达 155Mb/s以上 。
通常将四对双绞线封装在一个绝缘外套中，接口名称为 RJ45，如下图所示双绞线的接线标准
双绞线布线标准分为 EIA/TIA 568A,568B两种。
EIA/TIA 568A：
1白绿 2绿 3白橙 4蓝 5白蓝 6 橙 7白棕 8 棕
EIA/TIA 568B：
1白橙 2 橙 3白绿 4蓝 5白蓝 6绿 7白棕 8棕
一根双绞线两端 RJ45接头的做法有两种：一种是 平行线（也叫直连线）,一种 是交叉线 。所谓的直连线就是线的两头采用同样的做法，要么两头都用 T568A来做，要么两头都用 T568B
来做。而交叉线就是一头用 T568A，而另外一头就用 T568B（ 1<-->3,2<-->6的顺序互换 ），
平常实际应用中是怎么使用这两种线的呢？
应 用 类 别 接线方法计算机 ——计算机 交叉线计算机 ——交换机 平行线交换机 ——交换机 交叉线或者平行线或 (HUB)——(HUB)
一般交换机或 HUB上都有一个 UPLINK端口，这主要是方便级联的。
1、交换机的 UPLINK口 (级联口 )连接到交换机的普通口； 用平行线 。
2、交换机的 UPLINK口连接到交换机的 UPLINK口；
用交叉线 。
3、交换机的普通口连接到交换机的普通口； 用交叉线 。
2、同轴电缆细缆及
BNC
接口图
同轴电缆分类：
细缆,接口为 BNC
50欧的基带同轴电缆
（局域网常用） 粗缆：接口为 AUI
75欧的宽带同轴电缆：如有线电视电缆，计算机通信中,宽带系统”指采用频分复用和模拟传输技术的同轴 电缆网络
基带数字信号的编码：
基带数字信号的最大问题是当出现一长串的连
1或连 0时，在接收端无法从收到的比特流中提取位同步信号。如
曼彻斯特编码每一位中间都有跳变,从高到低表示 1，从低到高表示 0，这对接收端提取位同步信号非常有利。
差分曼彻斯特编码 每一位中间都有跳变，根据每一位的 起始点 是否有跳变来确定编码值，无跳变表示 1，有跳变表示 0。
75欧姆宽带同轴电缆
宽带同轴电缆用于传输模拟信号时，其频率可高达 500MHZ以上，传输距离可达 100KM，通常划分为若干个信道。如每 6MHZ的信道可传送一路模拟信号。
由于在宽带系统中要用到放大器来放大模拟信号，而这种 放大器只能单向工作,因此 要实现全连通，需要有发送和接收两条分开的数据通路 。可采用双电缆系统或单电缆系统。
双电缆系统 中发送和接收采用不同的电缆，头端的作用是将发送电缆发过来的信息转换到接收电缆。如下图所示
单电缆系统 采用一根电缆，但发送和接收使用不同的频带，各占一半。 头端的作用是变频 。
3、光缆
光纤主要由纤芯和包层组成，纤芯由非常透明的 石英玻璃 拉成细丝，直径只有分 8~100微米。
采用光传输，有光为 1，无光为 0，可见光的频率非常高，可达 108MHZ，速率可达 2.5Gbps。
光纤分 单模光纤和多模光纤 。单模光纤直径更细，
传输距离更远，价格更高，采用激光；多模光纤采用可见光。
光纤接口
ST
光纤通信原理当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角，如果入射角足够大，就会发生 全反射,即光线碰到包层时就会折射回纤芯，不断重复，沿光纤传输。
光纤是广域网中常用的传输介质,通常也用于局域网间远距离的连接，如校园网各校区间的连接。
光纤 采用光传输,发送方由光发射机产生光束，将电信号变为光信号，再把光信号导入光纤，在另一端由光接收机接收光纤上传来的光信号，并把它还原为电信号。
光纤有很多 优点,直径细，重量轻；传输距离远；
传输速率高，可达数千兆 bps；采用光信号传输，不受电磁辐射影响，抗干扰能力强；光信号不会向外泄露，安全、保密性好；光纤的主要成分是玻璃，
资源丰富。但其价格较贵，且需要高水平的安装技术，所以目前尚未普及，光纤通信是今后高速网络的发展趋势。
3.3.2非导向传输媒体
无线主要采用 微波、红外线和激光 三种技术，
目前无线建网费用较高，还不太普及。但由于连网方式灵活方便，很有发展前途。
微波通信主要有两种方式,地面微波接力通信和卫星通信 。
由于微波是直线传播，而地球表面是曲面，
因此其传播距离受到限制，需中继。
3.4模拟传输与数字传输
3.4.1模拟传输系统电话通信系统采用的是分级交换,目前，分 3级：
最低一级是 市话电话网 ；上一级是 本地网,其交换中心有 320个左右；最上面是 省的交换中心,
30个，各省的交换中心组成全连通网络。
长途干线最初采用 频分多路复用 FDM的传输方式，
也就是许多用户可在同样时间使用传输线路，
但各自占用的频率范围不同而互不干扰，一个标准话路的频率为 300~3400Hz，需留有一定的间隔，国际上取 4KHz，长途干线复用的话路数可有 60路,300路或 1800路等。
在长途干线中，由于使用了只能单向传输的放大器，因此不能像 市话线路那样使用二线制,
而要用两对线（ 四线制 ）来分别发送和接收，
在二线制和四线制的转换过程中，会有一部分话音反射回来进入讲话人的耳机，产生回波，
影响交谈。因此，需在长途电话线路中安装 回波抑制器,当检测到某一方在讲话时，自动将其接收端切断。回波抑制器将全双工的电路变成了半双工的
目前,我国的长途线路已基本实现数字化,只有从用户电话机到市交换机是模拟电路。
3.4.2调制解调器
1、调制解调器的作用计算机的数字信号经过模拟传输系统后会严重失真，主要原因是基带信号包含有各种频率成分，只有 300~3400Hz的能通过，此外还有衰减及干扰。
调制解调器的作用 是：将计算机发出的数字信号转换成适合于电话线传输的模拟信号
（ 300~3400Hz）
2、几种最基本的调制方法调制 就是将数字信号加载到正弦波上，即改变正弦波的参数（振幅、频率、相位）
（ 1） 调幅 （ AM）：如 0表示无载波,1表示有
（ 2） 调频 （ FM）：如频率 f1表示 0,f2表示 1
（ 3） 调相 （ PM）：如初相角 00表示 0,1800表示 1
调相可有 四相调制,采用四种初相角度数 0度 90度 180度 270度数值 00 01 10 11
一次调制可传送两位信息比特率 =波特 *2
调相可有 八相调制,采用八种初相角度数 0 45 90 135 180 225 270 315
数值 001 000 010 011 111 110 100 101
一次调制可传送三位信息比特率 =波特 *3
此外，还有调幅与调相相结合，如采用 8种相位、
两种振幅，一次调制可传送多少位信息？
3、关于调制解调器的速率根据香农公式，电话线路由于噪声干扰，其 极限传输速率只能达到 35Kbps，通常速率 V.34
为 33.6K，但目前已出现的 V.90标准已达 56K，
是何原因？
调制解调器上网时要多次经过 A/D（模 /数）转换和 D/A（数 /模）转换，其中 最大的噪声来自
A/D（模 /数）转换,通过减少 A/D转换的次数，
即能减少量化噪声，提高速率。
56KModem是指下行速率为 56K，上行速率仍为 33.6K。
若两个用户各使用一个 56KModem进行通信，
能否达到 56K的速率？
56KModem的使用条件是 ISP与电话交换机之间都是数字信道。
4、调制解调器使用异步通信方式数据通信分为 异步传输 (异步通信 )与同步传输
(同步通信 )两大类 。
无论是异步传输还是同步传输都需要进行 位同步,也就是接收方必须能从比特流中识别出每一位,不能多,也不能少 。
1)异步传输：以字符为单位的数据传输,如键盘与计算机之间 。
方法：没有信号传输时,线路为高电平；发送数据之前,先发一位起始位 (低电平 )；接下来是 5-8位的数据位和一位校验位；最后是 1-
2位的停止位 。
发送端与接收端必须采用相同的速率,相同的设置 。
例题：画出在异步串行传输方式下采用 1位起始位,7位数据位,1位奇校验和 1位停止位传送二进制值（数据位） "0100010"时的编码波形 (逻辑 "0"为低电平 )。
异步传输控制简单，但 通信开销大，效率低,
仅适合于低速通信 。
同步传输：以数据块为单位的数据传输 。
方法：每数据块都要加同步字符或比特序列，分两类：
面向字符的同步传输：采用同步字符 SYN，数据块为若干个字符。
面向位流的同步传输：采用同步标志 (01111110),数据块为任意比特流。计算机网络中目前主要采用该方式。
采样定理,采样频率不低于信号最高频率的两倍，就可以从采样脉冲信号无失真地恢复出原来的模拟信号。
同步通信开销小、效率高,但控制复杂，全网需采用统一的时钟源。
3.4.3数字传输系统
现有的数字传输系统采用脉码调制 PCM。
将模拟信号转换成数字信号要经过三个阶段：
采样 量化 编码
电话信号的最高频率为 3.4KHz，为方便起见，
采样频率定为 8KHz，采样周期为 125微秒 。每次采样信号采用 7位 (北美 )或 8位 (欧洲及我国 )
编码。采用 8位编码，一条话路的速率为多少?
长途干线采用时分多路复用 的方式，各用户在不同的时隙占用共享信道。
PCM有两种互不兼容的国际标准，即北美的 24
路 PCM(简称 T1)和欧洲的 30路 PCM(简称 E1)，
我国采用 E1标准。
32个时隙中 CH0用作帧同步用,CH16用来传送信令（如用户的拨号信令），其余传话音数据。
在 125微秒的时间对所有话路采样一次,E1的速率为,
一遍 32个时隙 *每个时隙编码 8位 *采样 8000遍 /秒
=2.048Mbps.
北美的 T1标准共 24个话路，每个话路 7位编码，
再加上一位信令码元，也是 8位。帧同步码是在 24路的编码之后加上 1位，这样每帧共 193位。
T1的速率为,
(193位 /帧 )*(8000帧 /秒 )=1.544Mbps.
多个一次群可以组合成一个二次群，多个二次群可以组合成一个三次群，见书 P57，表 3-1
数字传输具有很多优越性,但传统电话系统由于由模拟信道和数字信道混合组成，数字传输的优越性未得到充分发挥。今后将改为全数字网，如 ISDN为全数字网。
3.5 信道复用技术
信道多路复用技术有：
1,频分复用 FDM
2,时分复用 TDM
3,统计时分复用 STDM
4,密集波分复用 DWDM
5,码分多址 CDMA
1,频分复有 FDM
是所有用户在同样的时间占用不同的频带，
适合于传输模拟信号。
2,时分复用 TDM
用户按时隙轮流占用公用信道。不同用户有不同的时间占用同样的频带宽度。适合于传输数字信号。
当使用时分复用系统传送数据时，当某一段时间无数据传送时，也只能让已分配到的子信道
(时隙 )空闭着，造成 线路资源的浪费 。见书
P59 图 3-32，这种时分复用又叫 同步时分复用 。
3,统计时分复用 STDM
是一种改进的时分复用，时隙不是采用固定分配，而是 动态地分配 。当扫描到该用户时，
如果没有数据传输，则跳过去，扫描下一个。
见书 P60 图 3-23
由于帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，
因此每个时隙中还必须有用户的地址信息，以便接收方接收。 ATM就是采用异步传输方式。
波分复用 WDM
主要用于光纤传输，单模光纤的传输速率可达 2.5Gbps，
再提高就比较困难了。因为光的色散问题 (光脉冲中不同频率的分量的传输速率不同 )难以解决。
人们借用频分复用的概念，用一根光纤来传输多种不同波长的光。见书 P61 图 3-24
现在已能做到在一根光纤上复用 80路或更多路不同波长的光，称为 密集波分复用 (DWDM)。
通常在一根光缆中放入尽可能多的光纤 (如 100
根 )，然后对每根光纤采用密集波分多路复用技术。例对 100根速率为 2.5Gbps的光纤采用 16倍的复用，可得到 4Tbps的速率。
4、码分复用
主要用于无线通信中。
码分多址 CDMA允许每一个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
在 CDMA中,将要发送的每一个比特用 m位的码片来表示 。设 m取 8。
CDMA的 每一个站被指派一个唯一的 m位码片序列 。一个站如果要发送比特 1，则发送它自己的 m位码片序列。一个站如果要发送比特 0，
则发送该码片序列的二进制反码。
如指派给 S站的码片序列为 00011011，当发送 1
时，它就发送序列 00011011，当发送 0时，就发送 11100100，为了方便起见，将码片序列中的 0写成 -1，将 1写成 +1，因此 S站的码片序列为,-1-1-1+1+1-1+1+1。
如果 S站要发送信息的速率为 b bit/s，由于每个个比特要占 m个比特的码片，则 S站实际发送的速率应为 mb bitp/s。
CDMA的重要特点：
1、系统给每个站分配的 码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 。即
设 S为 (-1-1-1+1+1-1+1+1),T为 (-1-1+1-1+1+1+1-1),
将两者的分量代入，可以看出 S和 T是正交的。且
S和各站码片反码的向量内积也是 0。
2,任何一个码片向量 S的规格化内积 (S.S)是 1，
而 任何一个码片向量和该码片反码向量的规格化内积是 -1
设 X站要接收 S站发送的数据。 X站必须知道 S
站特有的码片序列 (如 -1-1-1+1+1-1+1+1) 。
由于系统中有很多站在通信,X站收到的信号是各个站发送的码片序列之和 (如 -1+1-3+1-1-
3+1+1)。
X站用 S的码片向量与接收到的码片序列进行求内积的运算，运算结果是 所有其它站的信号都被过滤掉 （因其内积的相关项都是 0）,只剩下 S站发送的信号 。当 S站发送 1，在 X站计算内积的结果是 +1，当 S站发送 1，在 X站计算内积的结果是 -1,S没发送时，内积为 0。
计算上例中 S发送的是 1，是 0，还是没发送？
3.6 同步光纤网 SONET和同步数字系列 SDH
前面介绍的数字传输系统存在着许多缺点。
1,速率标准不统一如 E1和 T1。
2,不是同步传输为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式。必须采用复杂的脉冲填充方法来补偿由于频率不准确而造成的误差。
为了解决上述问题，美国在 1988年推出了一个数字传输标准，叫 同步光纤网 SONET，为光纤传输系统定义了线路速率的等级结构，其传输速率以 51.84Mbit/s为基础,此速率对光信号称为 OC-1，对电信号称为 STS-1
ITU-T以美国标准为基础，制定出 国际标准,
叫 同步数字系列 SDH。与 SONET不同的是
SDH的基本速率为 155.52Mbit/s，称为 STM-1，
相当于 OC-3,SONET和 SDH速率等级对照表见书 P63，表 3-2
SONET和 SDH实现了数字传输的世界性标准，
已成为新一代理想的传输体制。
SONET定义了四个光接口层，有点像 OSI的参考模型。见书 P64，图 3-15，自下而上为：
光子层,比特传输，并进行电信号和光信号的转换。
数字段层,成帧及差错控制。
线路层,线路的复用与分用。
路径层,负责交换。
3.7EIA-232-E接口标准
EIA-232-E是美国电气电子工程师协会制定的物理层标准，定义了 DTE和 DCE之间的接口 。
DTE是数据终端设备,也就是具有一定的数据处理能力以及发送和接收能力的设备，如计算机。
DCE是数据电路端接设备,在 DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，将 DTE传过来的数据逐比特发往传输线路。如 Modem。
DTE和 DCE之间一般都有许多条并行线，包括信号线和控制线，两者必须高度协调地工作，
对其接口必须进行标准化。见书 P65，图 3-26
EIA-232的主要特点：
机械特性,使用 25根引脚的 DB-25插头。
电气特性,采用负逻辑,用 -5V~-15V的电压表示二进制 1，用 +5V~+15V的电压表示二进制 0；允许的最大传输速率为 20kb/s；最长可驱动电缆 15m
功能特性,规定了 25针各与 哪些 电路连接，以及每个信号的含义。其中九根线是常用的，如下图所示（将图中的,保护地,除外）。
规程特性,规定了 DTE和 DCE之间所发生的事件的合法序列。 A与 B通信的几个主要步骤如下：
（ 1） DTE-A将引脚 20“DTE就绪”置为 ON，同时通过引脚 2“发送数据”向 DCE-A传送电话号码。
（ 2） DCE-B将引脚 22“振铃指示”置为 ON，通知 DTE-B
有呼叫信号到达,DTE-B将其引脚 20“DTE就绪”置为
ON,DCE-B接着产生载波信号，并将引脚 6“DCE就绪”
置为 ON，表示已准备好接收数据。
（ 3）当 DCE-A检测到载波信号时，将引脚 8“载波检测”
和引脚 6“DCE就绪”都置为 ON，以便 DTE-A知道通信电路已经建立。
（ 4） DCE-A接着向 DCE-B发送载波信号,DCE-B将其引脚 8“载波检测”置为 ON。
（ 5） DTE-A将引脚 4“请求发送”置为 ON,DCE-A将引脚 5“允许发送”置为 ON,DTE-A通过引脚 2“发送数据”
（ 6） DCE-B收到后经过引脚 3“接收数据”向 DTE-B发送。
有时需要 将两台计算机通过 EIA-232串口直接连接,为了不改动计算机内标准的串行接口线路，可以采用 虚拟调制解调器 方法，所谓虚拟调制解调器就是一段线缆，见书 P67，图 3-29。
EIA-232接口标准的两个最大缺点是,最高速率 20Kb/s，最大长度 20m。 EIA于 1977年又制定了新的标准 RS-449。
RS-449 由 3个标准组成,即
（ 1） RS-449规定了接口的机械、功能和规程特性。采用 37针引脚。
（ 2） RS-423-A规定了在采用非平衡传输（即所有电路共用一个公共地）时的电气特性。
300Kb/s,10m.
（ 3） RS-422-A规定了在采用平衡传输（即所有电路没有公共地）时的电气特性。 2Mb/s,
60m.
