物理层基本概念
《计算机网络（第7版）谢希仁著》第二章物理层要点及习题总结
《计算机⽹络（第7版）谢希仁著》第⼆章物理层要点及习题总结1.物理层基本概念：物理层考虑的是怎样才能再连接各种计算机的传输媒体上传输数据⽐特流，⽽不是指具体的传输媒体2.物理层特性：机械特性，电⽓特性，功能特性，过程特性3.数据通信系统：分为源系统（发送端）、传输系统（传输⽹络）、⽬的系统（接收端）三⼤部分，通信的⽬的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电⽓或电磁的表现，通信系统必备的三⼤要素：信源，信道，信宿4.信号： （1）模拟信号（连续信号） 代表消息的参数的取值是连续的，连续变化的信号，⽤户家中的调制解调器到电话端局之间的⽤户线上传送的就是模拟信号。
（2）数字信号（离散信号），代表消息的参数的取值是离散的。
⽤户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话⽹中继线上传送的就是数字信号。
在使⽤时间域（或简称为时域）的波形表⽰数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
在使⽤⼆进制编码时，只有两种不同的码元，⼀种代表0状态⽽另⼀种代表1状态。
（1码元可以携带的信息量不是固定的，⽽是由调制⽅式和编码⽅式决定的，1码元可以携带n bit的信息量，可以通过进制转换和多级电平）5.信道 （1）基本概念：信道⼀般⽤来表⽰向某⼀个⽅向传送信息的媒体，⼀条通信电路往往包含⼀条发送信道和⼀条接收信道。
（2）通信双⽅的交互⽅式： ①单⼯通信（单向通信）：即只能有⼀个⽅向的通信⽽没有反⽅向的交互，例如：⽆线电⼴播，有线电⼴播 ②半双⼯通信（双向交替通信）：即通信的双⽅都可以发送信息，但不能双⽅同时发送（当然也就不能同时接收）。
这种通信⽅式是⼀⽅发送另⼀⽅接收，过⼀段时间后可以再反过来。
例如：对讲机 ③全双⼯通信（双向同时通信）：即通信的双⽅可以同时发送和接收信息。
例如：打电话 （3）调制和解调 原因：信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。
像计算机输出的代表各种⽂字或图像⽂件的数据信号都属于基带信号。
第2章 物理层 _2
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香农(Shannon)定理给出了带宽受限且有 高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错 的信息传输速率。 信道的极限信息传输速率 C 可表达为: C = W log2(1+S/N) bit/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）； 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农 的极限传输速率低不少。
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常用的双绞线的类别
双绞线 类别 3 4 5 带宽 16 MHz 20 MHz 100 MHz 低速网络；模拟电话 16Mbps令牌环局域网；短距离的10BASE-T以太 网 10BASE-T以太网；某些100BASE-T快速以太网 典型应用
5E（超5 类）
6 7
100 MHz
250 MHz 600 MHz
100BASE-T快速以太网；某些1000BASE-T千兆以 太网
1000BASE-T千兆以太网；ATM网络 屏蔽双绞线，可能用于今后的万兆以太网
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（2）同轴电缆
由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、 绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是箔状）以 及绝缘保护外层所组成。
如，无线广播和电视信号传播。
双向交替通信（半双工通信）——信息流可以在两个方 向上传输，但同一时刻仅限于一个方向传输。
如，对讲机。 半双工需要频繁调换信道方向，因此效率低，但可以节省传输线 路。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时 发送和接收信息。
如，计算机之间的通信。
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5
模拟数据和数字数据
模拟数据
物理层的基本概念
物理层的基本概念
物理层是计算机网络体系结构中的第一层，也是网络通信的最底层。
它负责通过物理媒介传输比特流，将数据从发送方传输到接收方。
以下是物理层的几个基本概念：
1. 媒体传输：物理层负责选择合适的物理媒介，如铜线、光纤或无线电波，来传输数据。
不同的物理媒介具有不同的传输速率和传输距离限制。
2. 数据编码：在物理层中，数据需要经过适当的编码方式转换为比特流。
常见的编码方式包括不归零码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。
3. 时钟同步：为了确保数据的正确传输，发送方和接收方的时钟需要保持同步。
物理层负责确保数据以正确的速率和时序传输。
4. 数据传输模式：物理层定义了数据的传输模式，可以是单工模式、半双工模式或全双工模式。
单工模式只允许数据在一个方向上传输，半双工模式允许数据在两个方向上交替传输，全双工模式允许数据在两个方向上同时传输。
5. 物理地址：物理层使用物理地址来唯一标识网络中的设备。
这些地址通常由网络适配器（网卡）提供，如MAC地址。
6. 基带与宽带传输：基带传输指的是将原始比特流直接传输到物理媒介上，适用于短距离数字通信。
宽带传输则指的是将数
据进行调制，转换为模拟信号再进行传输，适用于长距离传输和高速信号传输。
物理层的主要任务是确保数据在发送方和接收方之间可靠、高效地传输。
它提供了一些基本的传输机制和规范，为更高层的网络协议提供可靠的通信基础。
什么是计算机网络物理层常见的计算机网络物理层技术有哪些
什么是计算机网络物理层常见的计算机网络物理层技术有哪些计算机网络物理层是计算机网络体系结构中的基础层次，其主要功能是提供各种物理传输介质上的数据传输和接收。
物理层通过电气信号、电磁波、光信号等方式，将数据从发送方传输到接收方，并确保数据的可靠传输。
本文将介绍计算机网络物理层的基本概念以及常见的物理层技术。
一、计算机网络物理层的基本概念计算机网络物理层是计算机网络体系结构中的最底层，它直接与各种物理传输介质进行数据传输和接收。
物理层的主要任务包括编码、调制解调、传输介质选择以及物理连接等。
1. 编码编码是指将数字信号转换为模拟信号或数字信号的过程。
传输的数据在计算机中以二进制形式表示，而大多数物理传输介质是通过模拟信号传输的，因此需要进行编码转换。
常见的编码方式有非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
2. 调制解调调制解调是物理层中常见的一项技术，它将数字信号转换为适合传输的模拟信号。
发送方通过调制将数字信号转换为模拟信号，接收方通过解调将模拟信号转换为数字信号。
调制解调的常见方式有频移键控调制（FSK）、相位键控调制（PSK）、振幅键控调制（ASK）等。
3. 传输介质选择传输介质是指计算机网络中用于数据传输的物理媒介，常见的传输介质包括双绞线、同轴电缆、光纤等。
选择适合的传输介质对于物理层的性能和数据传输速率至关重要。
4. 物理连接物理连接是指将计算机网络中的各个节点通过传输介质进行连接的过程。
物理连接可以通过直接连接、交换机、集线器等实现。
物理连接的稳定性对于数据传输的可靠性和网络性能有着重要的影响。
二、常见的计算机网络物理层技术计算机网络物理层涉及到多种技术，下面将介绍一些常见的物理层技术。
1. 以太网以太网是一种常见的局域网技术，它使用双绞线或光纤作为传输介质，通过载波侦听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）协议进行数据传输。
以太网具有数据传输速率快、成本低廉等特点，广泛应用于局域网和广域网。
第3章：物理层
地球表面
电离 层
地球表面
《计算机网络》第3章 物理层
（2）蜂窝无线通信 小区制：每个小区设立一个基站(覆盖半径1～20km)。基站 之间通过电缆、光缆或微波与移动交换中心连接。
第一代蜂窝移动通信（1G）系统属于模拟移动通信。 第二代蜂窝移动通信（2G，80年代中期）系统为数字移动通信。 第三代蜂窝移动通信（3G，90年代中期）系统将地面、卫星移动通信 网和固定通信网互连。
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《计算机网络》第3章 物理层
模拟信号波型
V(t)
0
t
数字信号波型
V(t)
0
t
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《计算机网络》第3章 物理层
3.2.2 数据传输类型与通信方式
网络中两台计算机通信的过程
通信子网
路由器E 路由器A 主机A 路由器C
路由器F 路由器B 主机B 路由器D
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《计算机网络》第3章 物理层
网络通信系统设计中要解决的几个基本问题：
28
《计算机网络》第3章 物理层
3.3.2 模拟数据编码方法
传统的电话通信信道是为传输语音信号设计的，只适 用于传输音频范围（300Hz～3400Hz）的模拟信号， 无法直接传输计算机的数字信号； 为了利用模拟语音通信的电话交换网实现计算机的数 字数据信号的传输，必须首先将数字信号转换成模拟 信号； 将发送端数字数据信号变换成模拟数据信号的过程称 为调制，将调制设备称为调制器（modulator）； 将接收端模拟数据信号还原成数字数据信号的过程称 为解调，将解调设备称为解调器（demodulator）； 同时具备调制与解调功能的设备称为调制解调器 （modem）。
第二章物理层
频率 4 频率 3 频率 2 频率 1
时间
非对称数字用户线路（ADSL）
ADSL是一种实现宽带接入互联网的技术，采 用频分复用技术把普通的电话线分成了电话、上 行和下行三个相对独立的信道。提供最高1Mbps 的上行速度和最高24Mbps的下行速度。 （0Hz~1.1MHz频段划分成256个4.3kHz的子频带。 4kHz、20kHz~138kHz、138kHz~1.1MHz）
光线在光纤中的折射
包层 纤 芯 折射角 包层 （低折射率的媒体） 纤芯 （高折射率的媒体） 入射角
包层 （低折射率的媒体）
（光纤由石英玻璃拉成细丝，其直径只有8-100um）
光纤的特点： 重量轻：一公里长只有几十克重； 传输速率高：短距离（几十公里）可达2Gbps 长距离可达几百Mbps 误码率低，低于10-10 （双绞线：10-5~6 同轴电缆：10-7-9） 不受电磁干扰，保密性好，传输损耗极低 衰减少,在6-8公里距离内不使用中继器
选择某一角频率的正佘弦信号做为载波
对基带数字信号的三种调制方法 （模拟数据编码方法）
基带信号 调幅 (AM) 载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM) 载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) 载波的初始相位随基带数字信号而变化。 正交振幅调制 QAM 0 1 0 0 1 1 1 0 0
通信方式
1. 串行传输与并行传输 串行传输：低位先传，远距离 并行传输：并排传送，近距离 2. 同步传输和异步传输 同步传输：使用同时钟，高效率，同步控制装置 异步传输：不同时钟，起始位和停止位，效率低 传输时字符间异步，字符内各位同步
通信方式
3.单工/半双工/全双工
精选第6章物理层1资料
计算机网络技术基础
6.2.5 数据的通信方式
1.并/串行通信
并行通信是指数据以成组 的方式在多个并行信道上同时 进行传输。 特点：速度快，常用于计算机 内部总线以及并行口通信。使 用线路多，费用高，仅适合于 近距离和高速率的通信。
物理层的协议定义了物理层与物理传输媒体之间的 接口，主要包括四个特性：机械特性、 电气特性 、 功能特性 、规程特性。
计算机网络技术基础
6.2数据通信的基本知识
6.2.1信息、数据与信号 1. 信息是人对现实世界事物存在方式或运动状态的某种
认识，也是人们通过通信系统传递的内容。信息的载 体可以是数字、文字、语音、图形、图像和动画等。 2. 在网络中传输的二进制代码被称为数据，因此可以认 为数据是信息的载体，是信息的表现形式，而信息是 数据的具体含义。 数据的形式有两种：模拟数据和数 字数据。
频带信号是基带信号经过调制后形成的频分复用模拟信号。 所谓频带传输，是指在模拟信道上传输数字信号的方法。采用频 带传输方式时，发送端和接收端都要安装调制解调器。
计算机网络技术基础
4．同步和异步传输 （1）异步方式
异步传输方式一般以字符为单位传输，每传送一个字符（7 或8位）都要在前面加1个起始位，极性为“0”，表示字符代码的 开始；在后面加1～2个停止位，极性为“1”，表示字符代码的结 束。接收方根据起始位和停止位来判断一个字符的开始和结束， 从而使通信双方实现同步。
FSK是通过改变载波信号频率的方法来表示数字 数据“1”和“0”的，用频率f1表示数据“1”，用频率f2 表示数据“0”，而载波信号的参数A和φ不变。
计算机网络原理 物理层的基本概念
计算机网络原理物理层的基本概念
物理层为传输二进制比特流数据而建立、连接、释放物理连接提供机械的、电气的、功能的、规程性的特性。
这种物理连接可以通过中继系统，每次都在物理层内进行二进制比特流数据的编码传输。
这种物理连接允许进行全双工或者半双工的二进制比特传输的通信方式。
物理层服务数据单元（即二制比特流）的传输可通过同步方式进行。
物理层向上毗邻数据链路层，向下直接与传输介质相连接。
它起着数据链路层和传输介质之间的逻辑接口作用。
通信子网分为点到点通信线路通信子网与广播信道通信子网：广域网主要采用点到点通信线路；局域网与城域网一般采用广播信道。
由于技术上存在较大的差异，因此在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支，一类是基于点-点通信线路，另一类是基于广播信道。
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。
物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的4个特性：
●机械特性接口的形状、尺寸、引线数目、排列顺序等。
●电气特性接口电缆上各线的电压范围。
●功能特性指明某条线上某一电平的电压代表何种意义。
●规程特性指明各种可能事件的出现顺序。
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Z全双工：数据可以双向同时传输（例：电话）
需要具有两条物理上独立的传输线路； 或者需要具有一条物理线路上的两个信道，分别用
于不同方向的信号传输。
5
单工方式： 发送器
接收器
半双工方式： 发送器/ 接收器
不可同时 可同时
发送器/ 接收器
12
2
5 模拟传输v.s.数字传输
不同类型的信号在不同类型的信道上传输 有4种情况： 数据：模拟数据 数字数据
信号：模拟信号 数字信号
信道：模拟信道 数字信道
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模拟信号和数字信号
Z模拟信号
时间上连续，包含无穷多个信号值
Z数字信号
时间上离散，仅包含有限数目的信号值。最常见的 是二值信号
传输方式
速率/ 工作频带
宽带 基带
≤1Gb/s
基带
10Mb/s
传输距离
模拟: 10km 数字: 500m
<3km
性能 较好 较好
75Ω 同轴电缆
宽带
≤450MHz
100km
较好
光纤 微波 卫星
基带 宽带 宽带
40Gb/s 20km以上 很好
4-6GHz 1-10GHz
几百km 18000km
好 很好
码），数据以信号的形式在介质中传播。
模拟信号、数字信号
Z 信道（Channel）：传送信息的线路（或通路）。 Z 比特（bit）：即一个二进制位。比特率为每秒传输的
比特数（即数据传送速率）。 Z 码元（Code cell）：时间轴上的一个信号编码单元。
2
1. 数据通信系统的模型
通信的三个要素：信源、信宿和信道
Z 数字通信
在数字信道上实现模拟信息或数字信息的传输
Z 模拟通信
在模拟信道上实现模拟信息或数字信息的传输
数字通信的优点
Z 抗噪声（干扰）能力强 Z 可以控制差错，提高了传输质量 Z 便于用计算机进行处理 Z 易于加密、保密性强 Z 可以传输语音、数据、影像，通用、灵活 Z 计算机通信采用模拟信道的例子：电话线拨号上网。
信源
发送器
信道
接收器
信宿
源系统
噪声
目的系统
任何信道都不是完美无缺的，因此会对传输的信 号产生干扰，称为“噪声”。
外界：闪电、串扰、电气设备 内部：介质特性（衰减、延迟－与频率有关）
3
基带/频带/宽带传输
Z基带传输：不需调制，编码后的数字脉冲信号 直接在信道上传送。 例如：以太网（局域网）
Z频带传输：数字信号调制成音频模拟信号后再 传送，接收方需要解调。 例如：通过电话网络传输数据
Z宽带传输：把信号调制成频带为几十MHZ到几 百MHZ的模拟信号后再传送，接收方需要解调。 例如：闭路电视的信号传输
4
2. 信道的方向
单/双工通信——单/双向传输 Z单工：数据单向传输（例：无线电广播）
Z用于理想信道 Z数据传输率随信号编码级数增加而增加。
C = W log2（1+S/N）
Z用于有噪声信道 Z无论信号编码级数增加到多少，此公式给出了有
噪声信道可能达到的最大数据传输速率上限。 ZThat is：噪声的存在将使编码级数不可能无限增
加。 10
4 常用的传输介质
传输介质
双绞线 50Ω 同轴电缆
8
Shannon公式：用于有噪声干扰信道
C = W log2 （1+S/N）
C: 传输率，单位b/s W: 带宽，单位Hz S/N: 信噪比
例：电话话路信道带宽W=3.1kHz，S/N=2000， 则 C = 3100×log2（1+2000）≈ 34kb/s
即该信道上的最大数据传输率不会大于34kb/s。
t
t
a） 模拟信号
b） 数字信号
14
数字信道和模拟信道
数字信道：以数字脉冲形式（离散信号） 传输数据的信道。
Z计算机网络中主要采用数字信道进行数据传输 ZADSL、ISDN、DDN、ATM、局域网
模拟信道：以连续模拟信号形式传输数据 的信道。
ZCATV、无线电广播、电话拨号线路
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数字通信与模拟通信
16Байду номын сангаас
模拟传输和数字传输所使用的技术
模拟数据，模拟信号
话音
模拟
移频,调制
模拟数据，数字信号
模拟
数字
PCM编码
数字数据，模拟信号
数字 1010
模拟 调制
数字数据，数字信号
数字
数字
1010
数字编码
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编码与调制的区别
Z编码：用数字信号承载数字或模拟数据 Z调制：用模拟信号承载数字或模拟数据
价格 低
较低 较低 较高 中等
高
应用
模拟/数字 信号传输 基带数字信
号
模拟电视、 数据及音频
远距离高速 数据传输
远程通信
远程通信
11
屏蔽双绞线(STP)
以铝箔屏蔽以减少干 扰和串音，应用较少
非屏蔽双绞线(UTP)
双绞线外无任何屏蔽 层，应用广泛
常用的双绞线：3类（16Mb/s） 和5类（155Mb/s）两种
例如：当波特率为9600时 若M=2，数据传输率为9600b/s 若M=16，数据传输率为38.4kb/s
7
Nyquist公式：用于无噪声理想信道
理想低通信道：
C = 2W log2 M
理想带通信道：
C = 数据传输率，单位b/s W = 带宽，单位Hz M = 信号编码级数
C = W log2 M
第2章 物理层
本章内容
Z信道及传输能力 Z传输介质 Z数字与模拟传输 Z编码与调制的概念 Z多路复用技术 Z物理层协议的要点
数据通信与计算机网络 面向专业：信通系 授课教师：刘剑毅
1
基本概念
物理层的术语
Z 数据（Data）：传递（携带）信息的实体。 Z 信息（Information）：是数据的内容或解释。 Z 信号（Signal）：数据的物理量编码（通常为电编
全双工方式：
发送器/ 接收器
A站
发送器/ 接收器
B站
6
1
3 传码率与传信率
Z波特（Baud）：码元传输的速率单位。波特率 为每秒传送的码元数。
Z比特/秒：传信率的单位。
Z传码率与传信率的换算：
二进制：相等；
M进制：
Rbit = Rbaud log2M
上式中： M-信号的编码级数，Rbit-比特率，Rbaud-波特率
信信噪噪比比的的单单位位也也可可用用分分贝贝((ddBB))表表示示：：SS//NNddBB==1100lloogg1100SS//NN 所所以以，，若若SS//NNddBB==3300ddBB，，则则SS//NN==11000000。。
9
Nyquist公式和Shannon公式的比较
C = 2W log2M