韩老师计算机网络第二章物理层

2、物理层

2.1 概念

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

• 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表示何种意义。
• 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 典型的数据通信模式

2.2.2 相关术语

• 数据(data)——运送消息的实体。

• 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。

• “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。

• “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。

• 码元(code)——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。

  离散数值的基本波形就称为码元
  在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度，1码元可以携带n bit的信息量
  解释：
  如果信号一共用2种可能，那么1码元代表1bit信息（只有高低电平）
  如果信号一共用4种可能，那么1码元代表2bit信息，00 01 10 11，码元有四种可能，一码元代表2bit
  ……
  如果信号一共用2的n次方种可能，那么1码元代表nbit信息。

2.2.3 有关信道的几个基本概念

• 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。（广播电视台）
• 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)。（对讲机）
• 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。 （打电话）

2.2.4 基带信号（base band）和带通信号(band pass)

前提：信号是会衰减的，比如人说话，当距离越远之后，声音就会听不见

基带信号：来自信息源的信号

带通信号：把基带信息经过载波调制后的信号（载波调制就是把信号的频率搬到较高的频段，以便传输）

几种基本调制方法：

调幅、调频、调相

2.2.5（数字信号的）编码格式：

单极性不归零码
双极性不归零码
单极性归零码
双极性归零码
归零码：一次信号结尾始终为0电压 不归零码：一次信号结尾不需要归零
单极性：只有正向和0电压 双极性：有正负电压
曼彻斯特编码：低电平跳高电平代表0 高电平条低电平代表1，可以代表没有数据传输（用电平变化代表数据传输）
差分曼彻斯特编码：0和1没有固定高低电平，后面的信号是几取决于前面的信号

2.2.6 信道的极限容量

信道极限容量取决于失真的大小，当失真过大时，接收信号还是无法还原发送信号

• 有失真但是可以识别

2.2.7 奈氏准则

信道带宽

信道带宽=能够通过的最高频率-最低频率

在理想条件下(无噪声/干扰/失真)，为了避免码间串扰，码元的传输速率是有上限的。如果信道的频带越宽(信号高频分量越多)，则用更高的速率传输码元也不会出现码间串扰。

理想低通信道的最高码元传输速率=
$$2WBaud$$

• W是理想低通信道的带宽，单位为HZ。
• Baud是波特，是码元传输速率的单位。
• 使用奈氏准则给出的公式，可以根据信道的带宽，计算出码元的最高传输速率。

2.2.8 信噪比和香农(Shannon)公式

信道的极限信息传输速率C(带宽受限且有Gauss白噪声干扰时的信道极限且无差错时的信息传输速率)可表示为，
$$C=Wlog2(1+S/N)b/s$$
->W是信道的带宽(Hz)；
->S是信道内所传信号的平均功率；
->N是信道内的Gauss噪声的功率。
可以发现，减少速度和增大功率能提高准确度。
信道的带宽或信道中的信噪比(S/N)越大，则信息的极限传输速率C就越高；
只要信息传输速率小于信道的极限传输速率C，就一定能实现某种无差错传输；
若带宽W或信噪比(S/N)没有上限，则极限传输速率C也没有上限(虽然不可能)；
实际上，信道能达到的最高传输速率要比C低不少；

2.2.9 奈氏准则和香农公式的适用范围

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

• 双绞线

屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)

无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

• 同轴电缆

50欧姆同轴电缆(基带同轴电缆)——用于数字传输，多用于基带传输；
75欧姆同轴电缆(宽带同轴电缆)——用于模拟传输，多用于带通传输；

• 光缆

• 光纤

单模光纤——只能传输一种电磁波；直径小；用于有线电视网络，传播特性好，带宽可达10GHz，可以在一根光纤中传输60套PAL-D电视节目。

多模光纤——能传输多种电磁波；直径大；

2.3.2 非导向传输媒体

非导向传输媒体指自由空间，其中的电磁波传输称为无线传输。
无线传输的频段很广。
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差；
微波在空间主要是直线传播(延迟大)——地面微波接力通信；微信通信。
电信领域使用的电磁波的频谱如下，

2.3.3 物理层设备

集线器：
工作特点是在网络中只起到信号放大和重发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力。最大传输距离是100m；集线器是一个大的冲突域(意思是某个时间点只能是2台设备进行通信)。

2.4 信道复用技术

复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念

2.4.1 频分复用（FDN: frequency division multiplexing）

用户在分配到一定的频带之后，在通信过程中是这种占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（带宽指频率带宽不是数据的发送速率）

2.4.2 时分复用(TDM: time division multiplexing)

时分复用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。

**缺点：**使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用：

• 统计时分复用，需要给没有给用户添加一个标记，接收端用来区分用户。
• 交换机之间使用干道链路连接，可以通过多个VLAN的帧，就是给每个VLAN的帧添加帧标记。

2.4.3波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

2.4.4 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)

**常用名词：**码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

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.
任何一个码片向量和该码片反码向量的规格化内积都是-1.

缺点：表示一个bit需要更多的数据。

2.5 数字传输系统

主要讲的是广域网的数据传输。
脉码调制(PCM)技术。欧洲是E1标准(30路)，北美是T1(24路，时分复用)。

2.6 宽带接入技术

2.6.1 非对称数字用户链路ADSL

使用电话线。用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造(xDSL)，把0-4kHz留给传统电话使用，把原来没有利用的高频谱段留给用户上网使用。

2.6.2 光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

HFC网是在目前覆盖范围很广的有线电视网CATV基础上开发的一种居民宽带接入网。除了可以传送CATV外，还可以提供电话/数据/和其它宽带交互型业务。现有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需要对CATV网进行改造。

2.6.3 FTT技术(光纤到XX技术)

->光纤到家技术(Fiber to the home):光纤一直铺设到用户家庭(155MB/s)。
->光纤到大楼技术(Fiber to the building):光纤进入大楼后就转为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
->光纤到路边技术(Fiber to the curb):从路边到各用户可以使用星形结构的双绞线作为传输媒体(155MB/s)。