韩立刚《计算机网络》| 第2章 物理层

2.1 物理层含义

物理层解决如何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

2.2 特性

1. 机械特性：接口形状，大小，引线数目
2. 电气特性：电压范围（-5V到+5V）
3. 功能特性：如规定-5V表示0，+5V表示1
4. 过程特性：规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2.3 数据通信基础知识

• 数据——运送消息的实体
• 信号——数据的电气或电磁的表现
  (1)模拟信号——消息的参数的取值是连续的
  (2)数字信号——消息的参数的取值是离散的
• 码元——在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形
• 信道——一般表示向一个方向传送信息的载体
• 通信
  (1) 单向通信（单工）
  (2)双向交替通信（半双工）
  (3) 双向同时通信（全双工）
• 基带信号——来自信源的信号
• 带通信号——把基带信号进行载波调制后的信号
• 调制方法
  (1)调幅
  (2)调频
  (3)调相
• 常用编码
  (1)单极性不归零码
  (2)双极性不归零码
  (3)双极性归零码
  (4)曼彻斯特编码
  bit中间低到高为0，高到低为1
  (5)差分曼彻斯特编码
  bit与bit间有跳变表示下一个bit为0，无跳变表示1

2.4 信道的极限容量

奈氏准则

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
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBau

W——理想低通信道的带宽 HZ
Baud——波特，是码元传输速率的单位

例如果一个码元含有3个Bit信息量，则1波特=3Bit/s

信噪比（S/N）

香农公式（C:信道极限速率）

C = W log2（1 + S/N） b/s

W：信道带宽（HZ）
S：信道内所传信号平均速率
N：信道内部高斯噪声速率

2.5 物理层下面的传输媒体

导向传输媒体

（1）双绞线
屏蔽双绞线（STP）
无屏蔽双绞线（UTP）
（2）同轴电缆
50Ω同轴电缆——用于数字传输
70Ω同轴电缆——用于模拟传输
（3）光缆
单模光纤（细；传播特性好）
多模光纤（粗）

非导向传输媒体

（1）短波通信——靠电离层的反射
（2）微波——直线传播

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

物理层设备

集线器——信号放大和重发
最大传输距离：100m
集线器是一个大的冲突域

2.6 信道复用技术

频分复用（FDM）

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
所有用户在同样时间占用不同带宽（频率带宽）资源

时分复用（TDM）

所有用户不同时间占用同样的频带宽度
缺点：可能带来线路资源浪费

统计时分复用（STDM）

数据帧加上标记

波分复用（WDM）

光的频分复用

码分复用（CDM）

码分多址（CDMA）

规格化内积（S · T = 1/n【(Si Ti)累加】）

• 任何一个码片向量和该码片自己规格化内积为1
• 一个码片向量和该码片反码的向量规格化内积为-1

接收端

• 规格化内积为0 没接收到信息
• 规格化内积为1 接收到1
• 规格化内积为-1 接收到0

2.7 数字传输系统

脉码调制（PCM）

最初是为了在电话局之间的中继线上传输多路电话

2.8 宽带接入技术

• xDSL(包括ADSL、RADSL、VDSL等)
  把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用

• 光纤同轴混合网HFC
  在有线电视网CATV的基础上开发的宽带接入网

• FTTx技术（光纤到x）