物理层（计网_02）

前言：计算机网络里的物理层

一、物理层的基本概念

• 物理层的考虑：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。
• 物理层的作用：尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
• 物理层规程：用于物理层的协议。

1.1物理层的主要任务

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。

二、数据通信的基础知识

2.1数据通信系统的模型

• 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（data）：运送消息的实体。
• 信号（signal）：数据的电气的或电磁的表现。
• 模拟信号（analogous signal）：代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号（digital signal）：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。

2.2 有关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。
• 调制：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。
  • 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。
  • 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。

2.2.1 常用编码方式

• 不归零制：正电平表示1，负电平代表0。
• 归零制：正脉冲代表1 ，负脉冲代表0.
• 曼切斯特编码：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.但也可以反过来定义。
• 差分曼切斯特编码：在每一位的中心始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

• 曼切斯特编码和差分曼切斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
• 不归零制不能从信号波本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼切斯特编码和差分曼切斯特编码具有自同步能力。

2.2.2 基本的带通调制方法

• 调制的原因：有些信道不能传输低频分量或直流分量。

最基本的二元制调制方法：

1. 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。
2. 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。
3. 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

正交振幅调制（QAM）：

​ 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的方法。

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。

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2.3 信道的极限容量

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两种：

• 信道能够通过的频率范围。
• 信噪比

2.3.1 信道能够通过的频率范围

奈氏准则：给出了假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限额度。否则就会出现码间串扰额度问题，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。

2.3.2 信噪比

​ 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。

• 信道的极限信息传输速率C（香农公式）：
  

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。

如果频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，且码元传输速率也达到了上限值，可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

三、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。
• 导引型传输媒体：电磁波被导体沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
• 非导型传输媒体：就是自由空间。无线传输。

3.1 导引型传输媒体

• 双绞线：
  • 模拟传输和数字传输，通信距离为几到十几公里。
  • 分为屏蔽双绞线STP和无屏蔽双绞线UTP。
• 同轴电缆：
  • 具有很好的抗干扰性，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欧同轴电缆：LAN/数字传输常用
  • 75欧同轴电缆：有线电视/模拟传输常用。
• 光缆：
  • 光纤是光纤通信的传输媒体。
  • 多模光纤：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：光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可以使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。

3.2 非导引型传输媒体

• 无线传播使用的频段很广。
• 传统微波通信：
  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

四、信道复用技术

复用：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。

4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

4.1.1 频分复用

• 将整个宽带分为多份，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。

4.1.2 时分复用

• 时分复用：将时间划分成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长度）。
• 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。
• 时分复用可能会造成资源的浪费

4.1.3 统计时分复用STDM

4.1.4 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载波信号。

4.1.5 码分复用

五、数字传输系统

六、宽带接入技术

• 用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP
• 分类：有限宽带接入、无线宽带接入。

6.1 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL技术：就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使他能够承载宽带业务。

DSL：就是数字用户线的缩写。

（1）ADSL的特点

• 上行和下行带宽做成不对称的。
  • 上行指从用户到ISP，下行指从ISP到用户。
• 离散多音调DMT调制技术。
  • 频分复用
  • 并行传输数据

（2）ADSL的数据率

• 由于用户线的具体条件往往相差很大，因此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。
  

6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

• HFC网是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网对CATV网进行了改造
  

（1）每个家庭要安装一个用户接口盒

用户接口盒UIB要提供三种连接：

1. 使用同轴电缆连接到机顶盒，然后再连接到用户的电视机。
2. 使用双绞线连接到用户的电话机。
3. 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

6.3 FTTx技术

FTTx：是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。

• 分类：
  • 光纤到用户FTTH
  • 光纤到大楼FTTB
  • 光纤到路边FTTC

1.使用同轴电缆连接到机顶盒，然后再连接到用户的电视机。
2. 使用双绞线连接到用户的电话机。
3. 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。