在第l章中已经简单地提到了物理层的主要功能本章将主要

1第2章物理层在第l章中已经简单地提到了物理层的主要功能。本章将主要介绍物理层的基本概念、常用的物理层标淮、有关信道极限容量的重要概念，并给出与数据传输速率有关的两个著名公式，着重讨论各种传输媒体的主要特点，以及模拟传输和数字传输的一些常用技术。2．1物理层的基本概念首先应当强调指出是，物理层并不是指连接计算机的具体的物理设备或具体的传输媒体，而主要考虑的是：设备（包括：计算机、集线器、交换机、路由器等）间如何接口；怎样在连接各种设备的传输媒体上透明地传输数据的比特流。大家知道，现有的计算机网络中的物理设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同的方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些差异，使其上面的数据链路层感觉不到这些差异。这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。考虑到读者所学知识结构的差异，下面首先简单地介绍一下有关现代通信的一些最基本的知识和最重要的结论(但不给出证明)。1．信道所谓信道就是传输信息的通道。信道和电路并不等同（包括无线电路）要进行计算机之间的通信当然要有传输电磁波信号的电路。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路至少包含一条发送信道和(或)一条接收信道。一个信道可以看成是一条电路的逻辑部件。如果我们把电路看成城市的马路，那么我们就可以把信道看成马路中的车道。信道可分成模拟信道和数字信道两大类。传输模拟信号的信道叫做模拟信道，传输数字信号的信道叫做数字信道。模拟信号，即连续的信号，如话音信号和目前的广播电视信号；数字信号，即离散的信号，如计算机通信所用的二进制代码“1”和“0”组成的信号。数字信号在经过数模变换后就可以在模拟信道上传送，而模拟信号在经过模数变换后也可以在数字信道上传送。信道上传送的信号还有基带(basedband)信号和宽带(broadband)信号之分。简单说来，所谓基带信号就是将数字信号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。而宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。基带信号进行调制后，其频谱搬移到较高的频率处。由于每一路基带信号的频谱被搬移到不同的频段，因此合在一起后并不会互相干扰。这样做就可以在一条电路中同时传送许多路的数字信号，因而提高了线路的利用率。2．通信方式从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三个基本方式：(1)单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。(2)双向交替通信：又称为半双工通信，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，过一段时间后再反过来。2(3)双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道(每个方向各一条)。显然，双向同时通信的传输效率最高。3．信道的带宽信道的带宽指的是信道所传信号频率的上界与下界之差。一个标准电话话路的频带为300~3400Hz，那么它的带宽为3100Hz。4．波特率和比特率波特率是信道上单位时间内传输的码元数，比特率是信道上单位时间内传输的比特数。一个码元可传送1到多个码元。5．信噪比信噪比指的是信号功率与噪声功率在传输媒体上相同点上的比率，以分贝计。2．2信道的极限容量1．信道上的最高码元传输率1924年，奈奎斯特(Nyquist)推导出在具有理想低通矩形特性的信道的情况下的最高码元传输速率的公式，这就是奈氏准则：理想低通信道的最高码元传输速率=2W波特这里W是理想低通信道的带宽，单位为赫；奈氏准则的另一种表达方法是：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。如果码元的传输速率超过了奈氏准则所给出的数值，那么就会出现码元之间的相互干扰，以致在接收端无法正确判定在发送方所发送的码元是1还是0。例如，有一个带宽为3kHz的理想低通信道，其最高码元传输速率为6000Baud。若1个码元能携带3bit的信息量，则最高信息传输速率为18000b／s。对于具有理想带通矩形特性的信道(带宽为W)，奈氏准则就变为：理想带通信道的最高码元传输速率＝W波特即每赫带宽的带通信递的最高码元传输速率为每秒1个码元。2．信道的极限信息传输速率1948年，香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。当用此速率进行传输时，可以做到不产生差错。如用公式表示，则信道的极限信息传输速率C可表达为：C＝Wlog2(1十S／N)b／s其中：W为信道的带宽(以Hz为单位)；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。这就是著名的香农公式。该公式表明，信道的带宽越大或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。而且，只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。不过，香农没有告诉我们具体的实现方3法。这要由研究通信的专家去寻找。对于3.1kHz带宽的标准电话信道，如果信噪比S／N＝2500，那么由香农公式可以知道，无论采用何种先进的编码技术，信息的传输速率一定不可能超过由香农公式算出的极限数值，即35kb／s左右。目前的编码技术水平与此极限数值相比，差距已经很小了。2．3传输媒体1．双绞线传输媒体也称为传输介质或传输媒介。双绞线也称为双扭线，它是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。采用这种绞合起来的结构是为了减少对相邻的导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。差不多所有的电话都用双绞线连接到电话交换机(从用户的电话机到交换机的这段线称为用户线或用户环路(subscriberloop)。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上硬的护套。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值(对于模拟传输)，或者加上中继器以便将失真了的数字信号进行整形(对于数字传输)。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。由于双绞线的价格便宜且性能也不错，因此使用十分广泛。为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一个用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称为STP(ShieldedTwistedPair)。它的价格当然比无屏蔽双绞线UTP(UShieldedTwistedPair)要贵一些。目前，使用最为广泛的双绞线是UTP。1991年，美国电子工业协会EIA(ElectronicIndustriesAssociation)和电信工业协会TIA联合发布了一个标准EIA／TIA-568，它的名称是“商用建筑物电信布线标准”(CommercialBuildingTelecommunicationsCablingStandard)。这个标准规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。随着局域网上数据传送速率的不断提高，EIA／TIA在1995年将布线标准更新为EIA／TIA-568-A。此标准规定了5个种类的UTP标准(从1类线到5类线)。对传送数据来说，最常用的UTP是3类线(Categary3)和5类线(Category5)。5类线与3类线的最主要的区别就是一方面大大增加了每单位长度的绞合(twist)次数，另一方面，在线对间的绞合度和线对内两根导线的绞合度都经过了精心的设计，并在生产中加以严格的控制，使干扰在一定程度上得以抵消，从而提高了线路的传输特性。教材P28表2-1给出了特性阻抗为100Ω的UTP中的3类线和5类线以及150Ω的STP的衰减比较。我们应当注意到，无论是哪一种线，衰减都随频率的升高而增大。在设计布线时，要考虑到受到衰减的信号还应当有足够大的振幅，以便在有噪声干扰的条件下能够在接收端正确地被检测出来。除衰减特性外，双绞线的近端串扰NEXT(Near-EndcrossTalk)也是一个重要的指标。双绞线究竟能够传送多高速率(Mb／s)的数据，则与数字信号的编码方法有很大的关系。EIA/TIA-568标准会随着技术的发展而不断修订。例如，在1998年4月已有6类线的草案问世。42．同轴电缆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(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成，如图2-1所示。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，现被广泛用于较高速率的数据传输之用。图2-1画的是同轴电缆的结构图。当需要将计算机连接到电缆上的某一处时，要比用双绞线麻烦得多。通常都是利用T型分接头(或称为T型连接器，即Tjunction)。T型接头主要有两种。一种必须先把电缆剪断，然后再进行连接。另一种则不必剪断电缆，但要用另一种较昂贵的、特制的插入式分接头(vampiretap)，利用螺丝分别将两根电缆的内外导线连接好。保持电缆接头处的接触良好，是使用电缆作为传输媒体时必须特别加以注意的事项。通常按特性阻抗数值的不同，将同轴电缆分为两类：(1)50Ω同轴电缆这是为数据通信用的，用于传送基带数字信号。因此，50Ω同轴电缆又称为基带同轴电缆。用这种同轴电缆以10Mb／s的速率将基带数字信号传送1km是完全可行的。一般说来，传输速率越高，所能传送的距离就越短。在局域网中广泛地使用这种同轴电缆作为物理媒体。在传输基带数字信号时，可以有多种不同的编码方法。图2-2画的是未经编码的原基带数字信号和在计算机网络中常用的两种编码方法，即：曼彻斯特(Manchester)编码和差分曼彻斯特编码。未经编码的二进制基带数字信号就是高电平和低电平不断交替的信号。至于用高电平还是用低电平代表1或0都是可以的。使用这种最简单的基带信号的最大问题就是当出现-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。曼彻斯特编码则可解决这一问题。该编码方法的规则是：编码位的1/2位处，若被编码数据位为“1”，则负跳，反之为正跳；编码位的开始处，若被编码数据位为“1”，则为高点平，反之为低电平。这种编码的好处就是可以保证在每一个码元的正中间时间出现一次电平的转换，这对接收端的提取位同步信号是非常有利的。但是从曼彻斯特编码的波形图不难看出其缺点，这就是它所占的频带宽度比原始的基带信号增加了一倍。另一种曼彻斯特编码的变种叫做差分曼彻斯特编码，它的编码规则是：编码位的1/2位处总是跳变（正跳变或负跳变）；编码位的开始处，若被编码数据位为“0”，则跳变，否则保持不变。差分曼彻斯特编码需要较复杂的技术，但可以获得较好的抗干扰性能。图2-2三种常用的编码方法(2)75Ω同轴电缆这种同轴电缆用于模拟传输系统，它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号。这样，750同轴电缆又称为宽带同轴电缆。顺便指出，在电话通信系统中，带宽超过一个标准话路(4kHz)的频分复用系统都可称为是“宽带”的，但在计算机通信中，“宽带系统”是指采用了频分复用和模拟传输技术的同轴电缆络。宽带同轴电缆用于传送模拟信号时，其频率可高达300-450MHz或更高，而传输距离可达100km。但在传送数字信号时，必须将其转换成模拟信号。在接收时，则要把收5到的模拟信号转换成数字信号。一般说来，每秒传送1比特需要1-4Hz的带宽，这当然和编码方式与传输系统的价格有关。通常一条带宽为300MHz的电缆可以支持150Mb／s的数据率。宽带电缆通常都划分为若干个独立信道，例如，每一个6MHz的信道可以传送一路模拟电视信号。当用来传送数字信号时，速率一般可达3Mb／s。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，因此在宽带电缆的双工传输中，一定要有数据发送和数据接收两条分开的数据通路