物理层——计算机网络笔记

一、物理层的基本概念

  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。

  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：接口形状，大小，引线数目；
• 电气特性：规定电压范围（-5v到+5v）；
• 功能特性：规定-5v表示0，+5v表示1；
• 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部门的工作步骤。

二、数据通信的基础知识

1、典型的数据通信模型

2、相关术语

  通信的目的是传送消息。

• 数据（data）：运送消息的实体；
• 信号（signal）：数据的电气或电磁的表现；
  • 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（code）：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同的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。一码元可以携带 n bit 的信息量。

3、有关信道的几个基本概念

  信道：一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接受消息的信道。

• 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消息，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消息。

4、基带信号和带通信号

• 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。基带信号就是发出的直接表带了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号；
• 带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

  因此在传输距离较近的时，计算机网络都采用基带传输方式由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容都不会发生变化。因此在传输距离较劲时，计算机网络都采用基带传输方式。如今计算机到监视器、打印机等外设都是基带传输的。

  调制可分为两大类。一类是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。变换后的信号仍然是基带信号，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此也可以把这个过程称为编码。另一类调制则需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转移为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号，而使用载波的调制称为带通调制。

（1）常用编码

• 不归零制：正电平为 1，负电平为 0；
• 归零制：正脉冲为 1，负脉冲为 0；
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心向下跳变代表 1。但也可反过来定义；
• 差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表 0，位开始边界没有跳变代表 1。

（2）基本的带通调制方法

• 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。

  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方法。例如：正交振幅调制 QAM。

5、信道的极限容量

  数字信号通过实际的信道：

（1）奈氏准则

  1942年，奈奎斯特推导出奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输效率的上限值。

  在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就和出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决成为不可能。如果信道的频率越宽，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。

  理想低通信道的最高码元传输速率 = 2WBaud。

• W 是理想低通信道的宽带，单位为HZ；
• Baud 是波特，是码元传输速率的单位。

  波特在调制解调器中经常用到波特这个概念，Bit 是信息量，如果一个码元含有 3 个 Bit 信息量 1 波特 = 3 Bit/s。

（2）噪音比

  香农用信息论的理论推导出了宽带受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

  信道的极限信息传输速率 C 可表达为： C = Wlog2(1+S/N) (bit/s)

• W为信道的宽带（以Hz为单位）；
• S为信道内所传信号的平均值；
• N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明

• 信道的宽带或信道中的信噪比越大，则信息的极限速率就越高。
• 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。
• 若信道宽带 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。

（3）奈氏准则和香浓公式的应用范围

三、物理层下面的传输媒体

  传输媒体也成为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器到接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

1、导引型传输媒体和非导引型传输媒体

  导引型传输媒体（导向传输媒体）：在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固定媒体（铜线或光纤）传播。

• 双绞线
  • 屏蔽双绞线 STP；
  • 无屏蔽双绞线 UTP。
• 同轴电缆
  • 50 Ω 同轴电缆：用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；
  • 75 Ω 同轴电缆：用于模拟传输，即宽带同轴电缆。
• 光纤
  • 多模光纤可以传输多个电磁波模式；
  • 单模光纤指只能传输一种电磁波模式。

  非导引型传输媒体：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被称为无线传输。

• 短波通信：它主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差；
• 微波通信：它在空间主要是直线传播。
  • 地面微波接力通信；
  • 卫星通信。

2、光纤的工作原理

  光线在光纤中的折射。

  多模光纤：它可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输，光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。
  单模光纤：单模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，它可使光纤一直向前传播，而不会发生多次反射。

3、电信领域使用的电磁波的频谱

四、信道复用技术

  复用是通信技术中的基本概念。

1、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。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）。

2、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 帧的长度对应的时间）。 TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

（1）统计时分复用 STDM

  时分复用可能会造成线路资源的浪费（用户对分配到的子信道的利用率不高）。而统计时分复用中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。

3、波分复用 WDM

  波分复用就是光的频分复用。

4、码分复用

  码分复用 CDM 是另一种共享信道的方法，常用的名词是码分多址 CDMA 。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有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

（1）码片序列

  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)

（2）码片序列的正交关系

  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。两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积都是 0。

  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）。 把向量 S 和 T 的各分量值代入式子就可看出这两个码片序列是正交的。

（3）正交关系的另一个重要特性

• 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。

（4）CDMA 的工作原理

  设 S 站要发送的数据是 110 三个码元。再设 CDMA 将每一个码元扩展为 8 个码片，而 S 站选择的码片序列为（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）。S 站发送的扩频信息为 Sx。T 站选择的码片序列为 （-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1），T 站也发送 110 三个码元，而 T 站的扩频信号为 Tx。因所有的站都使用相同的频率，因此每一个站都能够收到所有的站发送的扩频信号。对于上面的例子，所有站收到的都是叠加的信号 Sx+Tx。

  当接收站打算收 S 站发送的信号时，就用 S 站的码片序列与收到的信号求规格化内积。这相当于分别计算 S*Sx 和 S*Tx。显然，S*Sx 就是 S 站发送的数据比特。－1表示发了0，1表示发了1，0表示没发，小数表示入侵者。

（5）例题

五、数字传输系统

  脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路电话。由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1），我国采用的是欧洲的 E1 标准。 E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

PCM工作原理

E1 标准

T1 标准

六、宽带接入技术

1、ADSL

  非对称数字用户线 ADSL 技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。ADSL 在用户线的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。

  ADSL 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。 ADSL 技术就把 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。

ADSL 的组成

3、光纤同轴混合网 HFC

  光纤同轴混合网（HFC）是在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。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造。

4、FTTx 技术

  FTTx（光纤到……）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。

• 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：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(155Mb/s)。
• 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：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 (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体(155Mb/s) 。