【网络原理】物理层

一、物理层的基本概念

1.物理层主要目的：在传输媒体上透明传输比特流；

2.物理层主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特征：

• 1.机械特征：指明接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数和排列等等；
• 2.电气特征：指明接口电缆上各条线出现的电压范围；
• 3.功能特征：指明某条线上出现某一电平的电压的意义；
• 4.过程特征：指明对于不同功能的各种可能事件出现顺序；
  数据在计算机中多采用并行传输，在通信线路上，一般都是串行传输，主要出于经济上考虑；

注：物理层不是传输媒体，而是确定传输媒体的接口特性。

二、数据通信的基础知识

1、数据通信的模型

1、通信系统一般可划分为三大部分：

• 1.源系统：包括信源和发送器（调制解调器）；
• 2.传输系统：可能是简单的传输线也可能是复杂的网络系统；
• 3.目的系统：接收器（调制解调器）和信宿；

2.调制解调器：可在源系统将数字比特流转换为模拟信号。在目的系统将模拟信号转换为数字比特流。
3、几个术语

• 1.数据:运行信息的载体；

• 2.信号:数据的电气或电磁表现；

• 3.模拟信号:波动持续变化，包含无穷多个值；

• 4.数字信号:离散，跃变，包含有限个值；

• 5.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。
  是时间轴上的一个信号单元
  对于基带数字通信而言，一个数字脉冲相当于一个码元
  对于模拟频带通信，载波的某个参数或者某几个参数的变化就是一个码元

• 码元速率RB（波特率/调制速率）：信号每秒钟变化的次数 单位：波特

• 数据率Rb（比特率）：信号每秒钟传输的二进制位数 单位 bps b/s

• Rb = RB * lg V （V为信号的状态数即 码元）【lg V 为比特位数。8个码元可由3个比特位表示】

2、有关信道的几个基本概念

1、信道：向某一个方向传送信息的媒体。通信电路不同，通常一条通信电路包含一条发送信道和一条接收信道。

• 2、单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播。
• 3、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，也就不能同时接收。
• 4、双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息。
• 5、基带信号：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。
• 6、基带传输：在信道中直接传输基带信号。
• 7、带通信号：经过载波调制后的信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
• 8、频带传输：将基带信号调制成模拟信号后传输。
• 注意：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。因此必须对基带信号进行调制。

5.基带信号调制

调制两分大类，

• 基带调制：仅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，变换后的信号任然是基带信号；
• 带通调制：需要使用载波进行调制，即把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输；

6.带通调制的常用方法

• 1.调幅
• 2.调频
• 3.调相
  
• 为达到更高信息传输速率，必须采用更为复杂的多元制振幅相位混合调制方法。【正交振幅调制】

3、信道的极限容量

1、基本概念：

• 信道带宽（W）：通讯信道的“带宽”是指信道可以不失真地传输信号的频率范围。
• 信道容量:表示信道的传输能力，是指信道在单位时间内可以传输的最大信号量（即最大信号传输率）。通常表示为单位时间内可传输的最大比特位数（即最大数据传输率）。
• 信道容量和信道带宽具有正比的关系：带宽越大，容量越大。

2、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。信号或数据传输率越高、信号传输距离越远、干扰越大，在信道的输出端的波形的失真就越严重，如果接收方还能够识别失真的信号，则失真对通讯无影响。
• 限制信号或数据在信道上的传输速率的主要因素有以下两个：“信道带宽”和“信噪比” ；

3、奈奎斯特定理：【无噪音的理想信道】

• 1.码间串扰：接收端收到的信息失去了码元之间的清晰界限而无法识别。
• 给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
  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。
• 定理内容：设信道带宽W、每个采样周期中信号的状态最多有V种码元，则在无噪音情况下信道的最大数据传输速率为：
  Cmax = 2W*log 2V (bps)

4、香浓定理【有噪音的信道】

• 1.信噪比（噪音）：信号平均功率与噪声平均功能之比，记做S/N
  信噪比=10ln(S/N) (dB)
• 【例】当S/N=1000时 信噪比为30dB
• 2.定理内容：Cmax = W * log2(1+S/N) (bit/s)
• 3.香农公式表明：

1.信道的带宽或信道中的信噪比越大，则数据的极限传输速率就越高。
2.只要数据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。
3.若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限，则信道的极限数据传输速率Cmax 也就没有上限。

• 4.提高信道传输速率上限的方法：

1.提高带宽（根据香浓公式）；
2.提高信噪比（根据香浓公式）；
3.让一个码元携带更多比特信息（根据奈氏准则）；

• 【例】有一带宽为3khz的理想低通信道，求其最高码元速率，若一个码元能运载3位二进制信息，求信道容量?

 解：V =8，根据奈奎斯特定理可知
Cmax = 2W*log 2V = 2*3000*log 28=18000(bps)
∵比特率 = 波特率单个码元对应的二进制位数。
∴Bmax=Cmax÷3=18000÷3=6000(Band)  【2W 即可】

三.传输媒体

1、导向传输媒体（电磁波沿着固体媒介传播）

1、双绞线：又称“双扭线”，连接电脑常用8芯无屏蔽双绞线；

• 屏蔽双绞线 STP ：有金属屏蔽层；

• 无屏蔽双绞线 UTP：无金属屏蔽层；

• 绞合作用：减少相邻导线之间的电磁干扰；

• 传输信号：数字信号、模拟信号；

• 传输距离：十几公里；导线越粗传输越远。；

2、同轴电缆：常用于有线电视网；

• 50 W 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
• 75 W 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用
  带宽取决于电缆的质量
  
  3、光纤 （即光导纤维），不受外界电磁干扰，直径8—100 um；
• 多模光纤：直径相对较大，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输的光纤；
• 单模光纤：光纤直径小到光的波长时，光线就一直向前传播而不发生多次反射的光纤（传播的距离比多模光纤远）
• 光纤工作原理：入射角足够大会产生全反射
  

2、非导向传输媒体

• 1、无线电传输：收音机
• 2、微波传输：主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差
• 3、红外线：遥控器
• 4、光波

四、信道（多路）复用技术

1、多路复用技术

• 发送方使用复用器将多个用户数据合起来共享一条物理线路传输到接收端，接收端再使用分用器将数据分离成各个单独数据，分发给接收方多个用户。

• 多路复用的常用四种基本形式

• 频分多路复用

• 波分多路复用

• 时分多路复用

• 码分多路复用

2、频分多路复用

• 1.基本原理：在一条通信线路上设置多个信道，每路信道的信号以不用载波频率进行调制；即：多个用户在同一时间内占用不同的频率带宽；
  

【例】一通信线路可用带宽96KHZ，每个信道4KHZ，则该线路可以复用24个信号。每个信道分配给一个用户，可同时为24对用户提供服务；

2、时分多路复用

• 1.基本原理：所有用户在不同时间占用相同的频带宽度；
  
• 同步时分多路复用→将时间片预先分配给各个信道，并且时间片固定不变；
• 统计时分多路复用→允许动态地分配时间片；

3、波分多路复用

• 光的频分多路复用，用于光纤通讯；

4、码分多路复用

码分多路的特征：

• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
• 这种系统发送的信号的抗干扰能力很强，其频谱类似于白噪声，不易被发现。
• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，每个间隔称为一个码片，m个码片构成一个码元。
  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 站分配的 8 bit 码片序列是 00011011（一个码元）。
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)    

码分多路复用的工作原理：

• 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。

这种正交满足下列特征：

• 1.令向量S表示站S的码片向量，令 T 表示其他任何站T的码片向量，令T1表示其他任何站T的码片反码的向量，两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积是0,同时向量S和T1的规格化内积也是0：

例如：令向量S为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量T为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)

• 2.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 。
  
• 3.一个码片向量和自身反码的向量的规格化内积值是–1。
  

当接收站打算接收S站发送的信号时，就用S站的码片序列与收到的复用信号求规格化内积

五、数字传输系统

1、脉冲编码调制方法：

• 数字信号传输失真小、误码率低、数据传输速率高，因此在网络中除计算机直接产生的数字外，语音、图像等信息的模拟数据进行数字化已成为发展的必然趋势。
• 脉冲编码调制是模拟数据数字化的主要方法。
• 主要内容。
  1、采样—》采样定理：如果以>=信道带宽2倍的速率定时对信号进行采样。其样本可以包含足以重构原模拟信号的所有信息。
  2、量化:将信号分为若干量化级。量化成多少级，根据精度要求。级数应为2n
  3、编码:若有K个量化级，则需要log2K位二进制编码。

2、数字数据编码方法

【信号频率和自同步能力3,4较高】

• 1、不归零码（波特率=数据率）：用低电平表示“0”、用高电平表示“1”、需要另一信道传输同步信号，以保证收发双方同步，否则无法判断一位开始与结束。
• 2.归零码：用低电平表示“0”、用高电平表示“1”。
• 3、曼彻斯特编码（波特率=2*数据率）：每比特的周期T分为前T/2和后T/2，前T/2传送该比特反码，后T/2周期传送该比特原码
  特点：无需另发同步信号、效率低，若信号传输速率为10MBPS，则发送频率应为20MHZ。
• 4、差分曼彻斯特编码（波特率=2*数据率）对曼彻斯特编码的改进。比特中间跳变仅做同步用，每比特值根据其开始边界是否跳变来决定，有跳变表示“0”， 无跳变表示“1”。
  

六、宽带接入技术

1、ADSL技术（非对称数字用户线）

• xDSL技术简介：
  1、DSL 就是数字用户线的缩写。而DSL 的前缀x则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。
  2、xDSL技术就是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。
  3、xDSL技术把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；40KHZ~1.2MHZ划分出许多子信道，每个子信道4KHZ，其中25个子信道用于上行信道，249个用于下行信道。

• ADSL 的特点
  1.上行和下行带宽做成不对称的。
  2.上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。
  3.ADSL 在用户线的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调 DMT 调制技术。

• ADSL中的DMT 技术
  1.DMT 调制技术采用频分复用的方法，40KHZ~1.2MHZ划分出许多子信道，每个子信道4KHZ，其中25个子信道用于上行信道，249个用于下行信道，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。

2.6.2、光纤同轴混合网（HFC网）

• HFC 网是在有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带业务。

• 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。

• 它将有线电视网的同轴电缆主干部分改用光纤。

• HFC 的主要特点如下：
  1.HFC网的主干线路采用光纤；
  2.HFC 网采用结点体系结构；
  3.HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能；

• 每个家庭要安装一个用户接口盒，该盒提供3种连接：
  ①.使用同轴电缆连接到机顶盒，然后接电视机；
  ②.使用双绞线接到电话线；
  ③.使用电缆调制解调器连接到计算机；

2.6.3、FTTX技术

• FTTx（光纤到……）è也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。
  ①.光纤到家 FTTH
  ②.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。
  ③.光纤到路边 FTTC：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。