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(based band) 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。
(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 ＝W log2 (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
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(subscriber loop)。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 (Shielded Twisted Pair )。它的价格当然比无屏蔽双绞线UTP (UShielded Twisted Pair) 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(Electronic Industries Association) 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”(Commercial Building Telecommunications Cabling Standard)。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(Categary 3)和5类线(Category 5)。
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-End crossTalk )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。
2． 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T junction)。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(vampire tap) ，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
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300 MHz的电缆可以支持150 Mb／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。采用双电缆系统和单电缆系统都可以达到这个目的，其有关说明见教材P30。
3． 光缆
光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。纤芯用来传导光波。由于光纤非常细，连包层一起，其直径也不到0．2mm 。因此必须将光纤做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十至数百根光纤，再加上加强芯和填充物就可以大大提高其机械强度。必要时还可放人远供电源线。最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几公斤，完全可以满足工程施工的强度要求。如图2-5所示。
图2-5 四芯光缆剖面的示意图
光纤是光纤通信的传输媒体。在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
光纤通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤) 传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为108MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：
●传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济；
●抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要； ●无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据；
●体积小，重量轻。
当采用光纤连网时，常常将一段段点到点的链路串接起来构成一个环路，通过T 形接头连接到计算机。
T 形接头有两种：无源的和有源的。无源的T 形接头由于完全是无源的，因此非常可靠。它里面有一个光电二极管(供接收用) 和一个激光二极管LED(供发送用) ，都熔接在主光纤上。即使光电二极管或激光二极管出了故障，也只会使连接的计算机处于脱机状态，而整个光纤网还是连通的。但是在每一个接头处光线会有些损失，因此整个的光纤环路的长度受到了限制。
有源的T 形接头实际上就是一个有源转发器。进入的光信号通过光电二极管变成电信号，再生放大后，再经过激光二极管IED 变成光信号继续向后面传送。有源转发器的使用使得每两个计算机之间的距离可长达数公里。有源转发器的缺点是：一旦T 形接头出了故障，整个光纤环路即断开不能工作。现在纯光的信号再生器也已开始使用。由于不需要进行光电和电光转换，因此其工作带宽大大增加。
最后要提一下的是，在有线传输媒体中，还有一种是架空明线。即在电线杆上架设的一对对互相绝缘的明线。架空明线安装简单，但通信质量差，受气候环境等影响较大。在发达国家中早已淘汰了架空明线，在许多发展中国家中也已停止了架设架空明线。但
目前我国在一些农村和边远地区仍有不少的架空明线工作着。
2．4 无线传输
前面主要介绍了属于“有线传输”的三种传输媒体。当通信线路要通过一些高山或岛屿，问题就出现了，一是施工困难，建设费用大；二是当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件很容易的事。利用无线电波可在自由空间的传播的特性，就会显得方便得多。
无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300 MHz 至300GHz ，但主要是使用2~.40Hz的频率范围。微波在空间主要是直线传播，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50km 左右。但若采用100 m高的天线塔，则传播距离可增大到100km 。为实现远距离通信必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。大多数长途电话业务使用4-6GHz 的频率范围。目前各国量使用的微波设备信道容量多为960路、1200路、1800路和2700路。我国多为960路。
微波通信就有两种主要的方式：即地面微波接力通信和卫星通信。
微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于3万6干公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的中继站。
由于信息技术的发展，现在人们不仅能够在运动中进行电话通信(这就是移动电话通信) ，而且还可以在运动中进行计算机数据通信。最近出现的WAP 移动电话，通过WAP 协议便可访问Internet 网。
关于地面微波接力通信和卫星通信更进一步的描述见教材P32~P35。
2．5 模拟传输与数字传输
从概念上讲，对传送计算机数据最合适的应当是数字信道。但事实上早在计算机网络出现之前，采用模拟传输技术的电话网就已经工作了近一个世纪，并且已遍布在世界上的各个角落。由于数字传输的性能优于模拟传输，因此各国都纷纷将传统的模拟传输干线更换成先进的数字传输干线，并且大量地采用光纤技术。但是从用户的电话机到市话局的用户线，现在还是使用老式的双绞线(铜线) 。因此目前的情况是模拟传输与数字传输并存。这样，在学习计算机网络时，我们还需要对传统的模拟传输系统有一定的了解。
下面将讨论有关模拟传输和数字传输的一些最基本的概念。严格说来，“传输”和“交换”是两个不同的概念。但为方便起见，我们在讨论传输的问题时，也要涉及到一些有关交换的概念。
1．模拟传输系统
传统的电话通信系统都是分级交换。我国的电话网络现分为5级，上面4级是长途电话网络，最低一级是市话电话网。4级长途交换中心从上到下分别是：
(1)一级中心，又称为大区中心或省间中心。
(2)二级中心，又称为省中心。
(3)三级中心，又称为地区中心或县间中心。
(4)四级中心，又称为县中心。每一个上级交换局均按辐射状与若干个下级交换局连成星形网。市话交换局(又称为端局) 直接与其管辖范围内的各电话用户相连。因此，属于同一个市话局内的两个电话的通信只需通过一个市话局的交换，但在复杂的情况下，两个相距较远的电话用户之间可能要经过多个不同级别的交换局的多次转接。
这种传统的分级交换体制正在向更加先进的动态无级选路DNHR 体制过渡。这就是要减少级数，并将高级交换中心组成全连通网络。这样可大大减少转接次数。
从市话局到用户的电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆。用户线的通信距离约为1-10km 。在电话机较稠密的城市，用户到市话局的距离就比较短。用户环的投资占整个电话网投资的一个相当大的比重。
长途干线最初采用频分复用的传输方式。也就是所谓的载波电话。一个标准话路的频率 范围是300~3400Hz。但由于话路之间应有一些频率间隔，因此国际标准取4kHz 为一个标准话路所占用的频带宽度。-般说来，级别越高的交换局之间的长途干线就需要更多的话路容量才能满足通信业务的需求。我们平时常说的60路、300路或1800路等，就是指长途干线频分复用的话路数目。
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是要使用四线制，即要用两对线来分别进行发送和接收。也就是说，发送和接收各需要占用一条信道。
这样，我们经常遇到的情况就是在电话用户的两端都是采用二线制的市话线路，而中间的一段则是采用四线制的长途线路。由于二、四线之间的转换不可能是理想的，这就产生了所谓的回波(或回声) 的问题。当电话通信的一方说话的话音信号传到对方的二、四线转换器时，不可避免地会有一部分话音信号又反射回来进入讲话人的耳机，因而产生了回波。当通信的距离很长时(例如超过2000km) ，回波会使讲话人感到很不舒服，严重时会使讲话人无法正常进行电话交谈。为此，在长途电话线路中要装上回波抑制器。回波抑制器在检测到某一方在讲话时，就自动将其接收线路切断，因而抑制了回波。实际上，回波抑制器就是把全双工的电路变为半双工的。由于正常的电话通信是按半双工的方式进行的，所以回波抑制器的加入不会影响正常的电话交谈。但是当装有回波抑制器的电话线路用来传送计算机的数据时，全双工的通信就无法进行。
目前我国长途线路已基本实现数字化，因而现在主要的模拟电路就从用户电话机到对话交换机之间的这一段用户线。
2．调制解调器
（1）调制解调器的作用
当利用电话线路进行计算机数据的传送时，由于数字“0”和“1”是由各种的频率成分叠加而成的，其中的一部分已经落到电话通信系统所能通过的频率范围之外，因而不能通过电话线路，而且各频率成分经受的衰减和时延可能会有些不同，这样就要产生失真，导致数据传输出现较高的误码率。
为了解决数字信号在模拟信道中传输产生失真的问题，可以采用两个办法。一种办法是在模拟信道两端各加上一个调制解调器，另一种办法是把模拟信道改造为数字信道，即用数字信道来传送数字信号。下面先讨论用调制解调器的方法。关于数字信道将在后面再介绍。
调制解调器就是我们通常所说的Modem ，它是由调制器(Modulator)和解调器(DEModulator)这两个词各取其字头合并而成的。发送数字数据时，调制器将基带数字信号的波形变换成适合于模拟信道传输的波形(注意：这并不改变数据的内容) ，接收时解调器将经过调制器变换所形成的模拟信号恢复成原来的数字信号。Modem 又称为数传机。
（2）几种最基本的调制方法
所谓调制就是进行波形变换。或者更严格地讲，是进行频谱变换，将基带数字信号的频谱变换成为适合于在模拟信道中传输的频谱。最基本的调制方法有以下几种，如图
2-10所示。
图2-10 对基带数字信号的几种调制方法
①调幅(AM)：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于无载波输 出，而“1”对应于有载波输出。
②调频(FM)：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于频率ƒ1，而“1”对应于频率ƒ2。
③调相(PM)：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，“0”对应于相位00，而“1”对应于1800。
上述的对数字信号的调频和调相，分别称为移频键控FSK (Frequency Shift Keying) 和移 相键控PSK (Phase Shift Keying)。而对移相键控还可再分为绝对移相键控和相对移相键控(DPSK)，即“0”对应于相位发生变化，而“1”对应于相位不变化。由于检测相位的变化要比检测相位本身的数值更加容易，因此DPSK 具有更好的抗干扰性。
为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。图2-11画的是一种正交幅度调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)的星座图。可以看出，星座图中的16个点的坐标(r，φ) 都是不相同的。这里r 代表振幅，而φ代表相位。这样我们就可以使用与这16个点相对应的16种不同的码元来传送数据。由于4bit 编码(从0000到1111) 共有16种不同的组合，因此这16个点中的每一个点可对应于一种4bit 的编码。可见采用这种编码方法，每一码元可表示4bit 的信息，因此传送1个码元就相当于传送了4bit ，因而用2400Baud 的码元速率就可得到9600b ／s 的信息传送速率。
图2-11 1码元表示4bit 的正交幅度调制的星座图
但是，图2-11也告诉我们，若每一个码元可表示的比特数越多(即在星座图中的点数越多) ，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。这是因为线路上的各种干扰和噪声使得在接收端收到的码元的振幅和相位都可能会发生变化。若失真太大就可能无法正确识别。
（2）高速调制解调器
对于在一个标准话路上使用的调制解调器，过去将信息传输速率小于600b ／s 的称为低速调制解调器，而信息传输速率高于9600b ／s 的称为高速调制解调器。20多年的技术进步，使调制解调器的传输速率从300b ／s 发展到今天的28．8~33．6kb ／s 的水平(即符合ITU-T 的V .34标准) 。这里使用了大量的数字信号处理技术和专用VLSI 芯片。V ．34的33．6kVs 的速率基本上已达到香农的信道容量极限数值。然而，1998年ITU-T 却又通过了56kb ／s 标准V ．90。应当指出，若两个用户各使用一个56kb ／s 的调制解调器，是无法连接在一起进行通信的。但是，由于大部分的Internet 服务提供者ISP 都使用租用数字专线接人到电话交换机，因此用户可以通过56kb ／s 的Modem 从Internet 服务提供者ISP 那里以更快的速率下载Internet 上的信息。
3．数字传输系统
现在的数字传输系统都是采用脉码调制PCM (Pulse Code Modulation)体制。PCM 最初并不是为传送计算机数据用的。它是为了使电话局之间一条中继线不是只传送一路电话而是可以传送几十路的电话。由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，
即北美的24路PCM(简称为T1) 和欧洲的30路PCM(简称为E1) 。我国采用的是欧洲的E1标准。T1的速率是1．544Mb ／s ，E1的速率是2．048Mb ／s 。
PCM 以取样定理（只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从取样脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号）为基础，将连续的电话信号经取样后成为一系列的离散脉冲信号，与此同时，用合适的数值表示每个脉冲信号的振幅。
下面以E1为例来简单说明其速率是怎样得出的。请参见图2-14。
图2-14 El 的时分复用帧
● 一条标准的话路的频率为300Hz~3．4kHz ，为了防止串音话路之间应留有一定
的间隔，因此，每条话路取4kHz ；
● 根据取样定理，只要取样频率不低于电话信号最高频率的2倍，就可以从取样
脉冲信号无失真地恢复出原来的电话信号，为方便起见，取样频率就定为8kHz ，相当于取样周期为125μs 。
● 每次采样时，话音信号经模数转换变为8比特数字数据。
● El 的一个时分复用帧(其长度T=125μs) 共划分为32相等的时隙，时隙的编号
为CH0~CH31。时隙CH0用作帧同步用，时隙CHl6用来传送信令(如用户的拨号信令) 。可供用户使用的话路是时隙CHl-CH15和CH17~CH31，共30个时隙用作30个话路；
● 每个时隙共传送8bit 。
● 这样，E1的速率=32路*8比特/路．次*8000次/秒=2．048Mb ／s
北美使用的T1系统共有24个话路。每个话路的取样脉冲用7bit 编码，然后再加上1位信令码元，因此一个话路也是占用8bit 。帧同步码是在24路的编码之后加上1bit ，这样每帧共有193bit 。因此，T1一次群的数据率为1．544Mb ／s 。
最后应当指出的是，如果在两个计算机之间的通信电路中，传输电路是模拟信道与数字信道交替组成的，那么由于要进行多次模数和数模转换，数字传输的优越性就不能充分发挥。只有整个端到端通信电路都是数字传输，数字传输的优越性才能得到充分的发挥。现在通信网正是朝着这样的方向去发展的。
2．6 物理层标准举例
前面已谈到物理层的主要任务是：设备间如何接口；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。更具体地说，物理层的主要任务可描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
●机械特性：说明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。这很像平时常见的各种规格的电源插头的尺寸都有严格的规定。
●电气特性：说明在接口引脚上出现的电压应在什么范围。即什么样的电压表示“1”或“0”。电气特性决定了传输速率和距离。
●功能特性：说明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。换言之，说明接口信号引脚的功能和作用。
●规程特性：说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
本节我们简单介绍两种最常用的物理层标准：EIA-232-E 标准和RS-449标准。
1．EIA-232-E 接口标准
EIA-232-E 是美国电子工业协会EIA 制订的著名物理层标准。它最早是1962年制
订的标准RS-232。这里RS 表示EIA 一种“推荐标准”，232是个编号。在1969年修订为RS-232-C ，C 是标准RS-232以后的第三个修订版本。1987年1月，修订为EIA-232-D 。1991年又修订为EIA-232-E 。由于标准修改得并不多，因此现在很多厂商仍用旧的名称。有时简称为EIA-232，更简单的说法是：“232接口”。
EIA-232是DTE 与DCE 之间的接口标准。因此下面先介绍什么是DTE 和DCE 。
DTE (Data Terminal Equipment)是数据终端设备，指的是具有一定的数据处理能力以及发送和接收数据能力的设备。DTE 可以是一台计算机或一个终端，也可以是各种的I ／O 设备。大家知道，大多数的数字数据处理设备的数据传输能力是很有限的。直接将相隔很远的两个数据处理设备连接起来，是不能进行通信的。必须在数据处理设备和传输线路之间加上一个中间设备。这个中间设备就是数据电路端接设备DCE (Data Circuit-terminating Equipment) 。DCE 的作用就是在DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，并且负责建立、保持和释放数据链路的连接。典型的DCE 则是一个与模拟电话线路相连接的调制解调器。图2-15画出了DTE 如何通过DCE 连接到通信传输线路上。
图2-15 DTE 通过DCE 与通信传输线路相连
我们从图2-15可以看到，DCE 虽然处于通信环境内，但它和DTE 均属于用户设施。用户环境只包括DTE 。
DTE 与DCE 之间的接口一般都有许多条并行线，包括多种信号线和控制线。DCE 将DTE 传过来的数据，按比特顺序逐个发往传输线路，或者反过来，从传输线路收下来串行的比特流，然后再交给DTE 。很明显，这里需要高度协调地工作。为了减轻数据处理设备用户的负担，就必须对DTE 和DCE 的接口进行标准化。这种接口标准也就是所谓的物理层协议。
多数的物理层协议使用如图2-15所示的模型。但也有一些不是这样。例如，在局域网中，物理层协议所定义的是一个数据终端设备和链路的传输媒体的接口，而并没有使用这种DTE ／DCE 模型。有一种常用的DCE 类型叫做CSU ／DSU ，意思是信道服务单元／数据服务单元(Channel Service Unit /Data Service Unit)，它将DTE/DCE转换为通常的电话接口。
下面扼要介绍一下物理层标准EIA-232的一些主要特点。
在机械特性方面，EIA-232使用ISO2110关于插头座的标准。也就是使用了25根引脚的D 形插头座。引脚并行两排，分别有13和12根引脚，其具体编号在制造插头座时明确标记好。
在电气性能方面，EIA-232与CCITT 的v ．28建议书一致。它采用的是负逻辑。逻辑“0”相对于信号地为+3V~+15V的电压，而逻辑“1” 相对于信号地为-3V~-15V的电压。逻辑“0”相当于数据的“0”(空号) 或控制线的“接通”状态，而逻辑“1”则相当于数据的“1”(传号) 或控制线的“断开”状态。当连接电缆线的长度不超过15m 时，允许数据传输速率不超过20kb ／s 。
EIA-232的功能特性与CCITT 的v ．24建议书一致。它规定了什么电路应当连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚的作用。图2-16画的是最常用的10根引脚的作用，括弧中的数目为引脚的编号。其余的一些引脚可以空着不用。图中引脚7是信号地，即公共回线。引脚1是保护地(即屏蔽地) ，有时可不用。引脚2和引脚3都是传送数据的数据线。“发送”和“接收”都是对DTE 。有时只用图中的9个引脚(将“保护地”除外) 制成专用的9芯插头，供计算机与调制解调器的连接使用。
图2-16 EIA-232/V．24的信号定义
EIA-232的规程特性规定了在DTE 与DCE 之间所发生的事件的合法序列。这部分内容与CCITT 的v ．24建议书一致。
下面通过图2-17的例子，说明DTE-A 要向DTE-B 发送数据所要经过的几个主要步骤。
图2-17 两个DTE 通过DCE 进行通信的例子
(1)当DTE-A 要和DTE-B 进行通信时，就将引脚20“DTE 就绪”置为ON ，同时通过引脚22“发送数据”向DCE-A 传送电话号码信号。
(2)DTE-B将引脚22“振铃指示”置为ON ，表示通知DTE-B 有人呼叫信号到达(在振铃的间隙以及其他时间，振铃指示均为OFF 状态) 。DTE-B 就将其引脚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 ，以便使DTE-A 知道通信电路已经建立。DCE-A 还可通过引脚3“接收数据”向DTE-A 发送在其屏幕上显示的信息。
(4)DCE-A接着向DCE-B 发送其载波信号，DTE-B 将其引脚8“载波检测’’置为ON 。
(5)当DTE-A 要发送数据时，将其引脚4“请求发送”置为ON 。DCE-A 作为响应将+引脚5“允许发送”置为ON 。然后DTE-A 通过引脚2“发送数据”来发送其数据。DCE-A 将数字信号转换为模拟信号向DCE-B 发送过去。
(6)DCE-B将收到的模拟信号转换为数字信号经过引脚3“接收数据”向DTE-B 发送。
这里应告之读者的是：很多厂商出售的调制解调器只使用了接口的25根引脚中的4~12根。因此他们所实现的很可能只是整个EIA-232标准的一个子集。因此应弄清你所需要的性能是否已包括在这个子集之中。
EIA 还规定了插头应装在口DTE 上，插座应装在DCE 。当终端或计算机与调制解调器相连时就非常方便。然而当两台计算机通过EIA-232串行接口直接相连时，就会有点麻烦。例如，这台计算机通过引脚2发送数据，但仍然传送到另一台计算机的引脚2，这就使对方无法接收。为了不改动计算机内标准的串行接口线路，可以采用虚调制解调器的方法。所谓虚调制解调器就是一段电缆，具体的连接方法如图2-18所示。这样对每一台计算机来说，都好像是与一个调制解调器相连，但实际上并没有真正的调制解调器存在。
图2-18 利用虚调制解调器与两台计算机相连
2．RS-449接口标准
EIA-232接口标淮有两个较大的弱点，即：
(1)数据的传输速率最高为20 kb／s ；
(2)连接电缆的最大长度不超过15m 。这就促使人们制订性能更好的接口标准。出于这种考虑，EIA 于1977年又制定了一个新的标准RS-449，以便逐渐取代旧的RS-232。
实际上，RS-449由3个标准组成。即：
●RS-449：规定接口的机械特性、功能特性和过程特性。RS-449采用37根引脚的插头座。在CCITT 的建议书中，RS-449相当于v ．35。
●RS-423-A ：规定在采用非平衡传输时(即所有的电路共用一个公共地) 的电气特性。当连接电缆长度为10m 时，数据的传输速率可达300kb ／s 。
●RS-422-A ：规定在采用平衡传输时(即所有的电路没有公共地) 的电气特性。它可将传输速率提高到2Mb ／s ，而连接电缆长度可超过60m 。当连接电缆长度更短时(如10m) ，则传输速率还可以更高些(如达到10Mb ／s) 。
通常EIA-232／V ．24用于标准电话线路(一个话路) 的物理层接口，而RS-449／V ．35则用于宽带电路(一般都是租用电路) ，其典型的传输速率为48-168kb ／s ，都是用于点到点的同步传输。
关于RS-449的详细说明可参阅有关标准，这里从略。
以上所讲的EIA-232和RS449标准只是ITU-T 为在模拟电话网上传送数据的接口标准系列中的一部分。全面详细的标准都由ITU-T 的v 系列建议书给出。
练习题
2．01 物理层要解决哪些问题? 物理层的主要特点是什么?
2．02 物理层的接口有哪几个方面的特性? 各包含些什么内容?
2．03 奈氏准则与香农公式在数据通信中的意义是什么?
2．04 常用的传输媒体有哪几种? 各有何特点?
2．05 什么是曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码? 其特点如何?
2．06 传播时延、发送时延和重发时延各自的物理意义是什么?
2．07 模拟传输系统与数字传输系统的主要特点是什么?
2．08 EIA-232和RS-449接口标准各用在什么场合?
2．09 基带信号与宽带信号的传输各有什么特点?
2．10 有的600(兆字节) 的数据，需要从南京传送到北京。一种方法是将数据写到磁盘上，然后托人乘火车将这些磁盘捎去。另一种方法是用计算机通过长途电话线路(设信息传送的速率是2．4kb ／s) 传送此数据。试比较这两种方法的优劣。若信息传送速率为33．6kb ／s ，其结果又如何?
2．11 56kb ／s 的调制解调器是否已突破了香农的信道极限传输速率? 这种调制解调器的使用条件是怎样的?
2．12 在介绍双绞线时，我们说：“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。”但目前我们使用调制解调器与ISP 相连时，数据的传输速率最高只能达到56kb ／s ，与每秒几个兆比特相距甚远。这是为什么?