计算机网络 ---- 物理层

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2.1 物理层的基本概念

2.2 数据通信的基本知识

2.3 物理层下面的传输媒体

2.4 信道复用技术

2.5 数字传输系统

2.6 宽带接入技术

2.1 物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是指具体的传输媒体。

可将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性

• 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列。
• 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什么意义
• 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据在计算机中多采用并行传输方式，但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

2.2 数据通信的基本知识

2.2.1 数据通信系统的模型

我们通过两个PC经过普通电话线的连线，在通过公用电话网进行通信来说明这个问题。

如图所示，一个通信系统可划分为三大部分：源系统（发送端，发送方），传输系统（传输网络） 和 目的系统（接收端，接收方）。

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源系统一般包括以下两个部分：

• 源点（source）：源点设备产生要传输的数据。例如：从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的数字比特流。
• 发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器
• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把他转换成能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器
• 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把数字输出。

下面我们介绍一些计算机网络的常用语

• 通信的目的是传送消息（message），如语音，文字，图像，视频等都是消息。
• 数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现。 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为两大类： 1 ）模拟信号 代表消息的参数的取值是连续的。 2） 数字信号 代表消息的参数的取值是离散的。

数字信号：数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。在计算机中，数字信号的大小常用有限位的二进制数表示。

数字数据： 数字数据（digital data）在数据通信中也称为数字量，相对于模拟量而言，指的是取值范围是离散的变量或者数值。

数字数据的数字信号编码:就是要解决数字数据的数字信号表示问题，即通过对数字信号进行编码来表示数据。数字信号编码的工作由网络上的硬件完成，常用的编码方法有以下三种：不归零码NRZ(Non—Return To zero)、曼彻斯特编码(Manchester)、差分曼彻斯特编码(Diffrence Manchester)。

码原： 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

2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道 ： 一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道跟一条接受信道

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式

1） 单向通信 只有一个方向的通信而没有反方向的交互。例如：无线电广播或有线电广播以及电视广播 2） 双向交替通信 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，同时接收。 3) 双向同时通信 通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，其余两个都要徐两条通信信道，其中，双向同时通信的传输效率最高。

来自信源的信号常称为基带信号（基本频带信号）。 像计算机输出的各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

带通信号（频带信号）：是指如果一个信号只包含了一种频率的交流成份或者有限几种频率的交流成份，我们就称这种信号叫做频带信号。

基带信号带有的一些低频成分，直流成分不能被信道传输。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）

调制分为两大类：

1） 仅仅是对基带信号的波形进行变换，使他能够于信道特性相适应。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，因此大家更愿意把这种过程称为编码。

2） 另一类调制则需要使用载波（carrier）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，这样就能更好的在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

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2.2.3 信道的极限容量

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从概念上讲，限制码原在信道上的传输速率的因素有以下两个

1） 信道能够通过的频率范围 在任何信道中，码原传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。 如果信道的频率越宽，也就是能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原而不出现码间串扰 2） 信噪比 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪音是随机产生的，他的瞬时值有时很大。会造成接收端对码原的判决产生错误，（1变0,0变1）。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。 因此，信噪比就很重要。信噪比 = 信号的平均功率 / 噪声的平均功率。 常记为 S / N.

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从上面的公式上看，当信噪比越高，那么传输速率就越高。

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2.3 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，就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

传输媒体可以分为两大类：即导引型传输媒体 和 非导引型传输媒体 。

在导引型传输媒体中，电磁波被导引着沿着固体媒体（铜或光纤）传播； 而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常称为无线传输。

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2.3.1 导引型传输媒体

1） 双绞线 把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合 （twist）起来就构成了双绞线， 绞合可减少对相邻导线的电磁干扰，使用双绞线最多的地方就是电话系统。 模拟传输跟数字传输都可以用 双绞线 ，但距离太长的时就要加 放大器 以便将衰减的信号放大到合适的数值。

为了提高双绞线的抗电磁干扰能力， 可以在双绞线外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽网。这就是屏蔽双绞线，简称（STP）（Shielded Twisted Pair） 。

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2 ） 同轴电缆 同轴电缆 由 内导体铜制芯线 （单股实心线或多股绞合线），绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股），以及保护塑料外层所组成，。

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由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰性，被广泛的用于传输较高速率的数据。

3） 光缆 光纤通信 就是 利用 光导纤维 （简称光纤）传递 光脉冲 来进行 通信。有光脉冲相当于1,而没有光脉冲相当于0 。由于可见光的频率非常高 ， 约为 10^8 MHz 的量级 ，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的宽带。

光纤是光纤通信的传输媒体 。 在发送端 有光源，可以采用发光二极管 或 半导体激光器 ， 他们在电脉冲的作用下能产生光脉冲。在接收端利用发光二极管做成 光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

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光纤的好处

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2.4 信道复用技术

复用 是通信技术中的基本概念。

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2.4 1 最基本的复用就是 频分复用 FDM， 和 时分复用 TDM 。

频分复用 如上图 a, 在通信过程中自始至终都占用这个频带 ， 可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

而时分频率 如图b，是所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度，

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2.4.2 波分复用

波分复用 WDM 就是光 的频分复用 。

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2.4.3 码分复用

码分复用可以实现让每一个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信。

由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

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2.5 数字传输系统

早期电话网，采用的都是最廉价的双绞线电缆，而长途采用的是频分复用的FDM 的模拟传输方式。

由于数字通信与模拟通信相比，无论是传输质量还是经济上都有明显的优势。

早期的数字传输系统存在这许多的问题，主要有以下两个

1 ） 速率标准不一 导致国际范围的基于光纤的高速数据传输就很难实现。 2 ） 不是同步传输

为了解决以上问题，美国在1998年首先推出了一个数字传输标准， 叫做 同步光纤网SONET。然后之后根据这个制定了国际标准同步数字系列 SDH。

2.6 宽带接入技术

在之前的章节，我们已经讲过，用户要想接到 因特网 ，必须先接到某个ISP，然后获得上网所需的 IP 地址。

因此，在因特网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调解器连接到 ISP 的。

从宽度接入的媒体来看，可以划分为两大类，一类是有线宽带接入，而另一类是无限宽带接入。

2.6.1 ADSL 技术

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。

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