计算机网络笔记第二章-物理层

物理层

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1、物理层的基本概念

物理层：怎样才能在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，尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

物理层的协议：物理层规程 (procedure)

主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性

• 机械特性 ：指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。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
• 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2、数据通信的基础知识

一个数据通信系统包括三大部分：

• 源系统（或发送端、发送方）
• 传输系统（或传输网络）
• 目的系统（或接收端、接收方）

常用术语

• 数据 ：运送消息的实体
• 信号： 数据的电气的或电磁的表现
• 模拟信号 ： 代表消息的参数的取值是连续的
• 数字信号 ： 代表消息的参数的取值是离散的
• 码元 ： 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

信道的几个基本概念

• 信道 ： 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
• 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
• 双向交替通信（半双工通信）：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)。
• 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。
• 基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。
  • 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。
  • 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。
  • 必须对基带信号进行调制

调制分为两大类

• 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。
  • 变换后的信号仍然是基带信号。
  • 把这种过程称为编码 (coding)。
• 带通调制：使用载波进行调制
  • 把基带信号的频率范围搬移到较高的频段
  • 并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。
  • 带通信号 ：经过载波调制后的信号。

常用编码方式

• 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。
• 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。

• 产生的信号频率：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 > 不归零制

• 自同步能力：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有同步能力

基本的带通调制方法

最基本的二元制调制方法有以下几种：

• 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。

注意：不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加。

信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

• 信道能够通过的频率范围
• 信噪比

信道能够通过的频率范围

• 具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
• 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。

• 噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。

• 但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

• 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即：

  • 信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)

  • 例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。

香农公式表明

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
• 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。
• 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
• 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。

注意：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。即：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
• 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
• 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
• 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

导引型传输媒体

• 双绞线：最常用的传输媒体。
  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。
  • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
    带金属屏蔽层
  • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

• 同轴电缆：具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
  同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
  • 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
  • 75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

• 光缆：光纤通信的传输媒体。
  由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 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。
  • 多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输
  • 单模光纤：直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。
  • 光纤优点：
    • 通信容量非常大。
    • 传输损耗小，中继距离长。
    • 抗雷电和电磁干扰性能好。
    • 无串音干扰，保密性好。
    • 体积小，重量轻。

非导引型传输媒体 ：自由空间

无线传输所使用的频段很广。

• 短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
• 传统微波通信有两种方式：
  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

信道复用技术

复用 ：通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

• 频分复用 FDM
  • 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
  • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

• 时分复用TDM
  • 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
  • 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。所以TDM 信号也称为等时 信号。
  • 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
  • 可能会造成线路资源的浪费

• 统计时分复用 STDM
  • STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。
  • 因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

• 波分复用 WDM
  • 波分复用就是光的频分复用。
  • 使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

• 码分复用 CDM
  • 码片序列
    • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
    • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
      如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
      如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
    • 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
      发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
      发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
    • S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
  • 这种通信方式是扩频通信中的一种
    • 直接序列扩频（码片序列就是这一类）
    • 跳频扩频

CDMA 的重要特点

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 。在实用的系统中是使用伪随机码序列。

• 码片序列的正交关系
  • 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量
    两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积 (inner product) 等于 0：
  • 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1
  • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1

数字传输系统

模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。

旧的数字传输系统存在许多缺点

• 速率标准不统一
• 不是同步传输

宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：

• 有线宽带接入
• 无线宽带接入

以下均为有线宽带接入技术：

ADSL 技术：非对称数字用户线

• 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。

• 把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

• 传输距离：取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。

• 数据传输速率：与实际的用户线上的信噪比密切相关。

• ADSL 的特点

  • 上行和下行带宽做成不对称的。
  • ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。

• DMT技术（属于ADSL技术）

  • 采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。
  • 每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

• ADSL 的数据率
  • ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。
  • ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。

• 第二代 ADSL
  • 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
  • 采用了无缝速率自适应技术 SRA，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。
  • 改善了线路质量评测和故障定位功能。

光纤同轴混合网（HFC网）

• 目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。
• HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
• 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。
• HFC 网对 CATV 网进行了改造。
  • HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
  • 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。
  • 模拟光纤从头端连接到光纤结点 ，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

• 每个家庭要安装一个用户接口盒：提供三种连接
  • 使用同轴电缆连接到机顶盒 (set-top box)，然后再连接到用户的电视机。
  • 使用双绞线连接到用户的电话机。
  • 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。只安装在用户端。

FTTx 技术

实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。

• 光纤到户 FTTH ：光纤一直铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。
• 光纤到大楼 FTTB ：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
• 光纤到路边 FTTC ：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。