计算机网络（二）—— 物理层

第二章 物理层

2.1 物理层的基本概念

• 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：
  • 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。
  • 规程特性——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

1. 一个数据通信系统可划分为三大部分：

在这里插入图片描述

1. 源系统（或发送端、发送方） 2. 传输系统（或传输网络） 3. 目的系统（或接收端、接收方）

2. 源系统（两部分）

1. 源点（source）

• 源点设备产生要输出的数据 例如，从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的数字比特流。
• 源点又称为源站，或信源

2. 发送器：

• 作用：将比特流转化成相应的物理信号。
• 通常，源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
• 典型的发送器就是调制器。
• 现在很多PC使用内置的调制调解器（包含调制器和解调器），用户在外面看不到调制调解器。

3. 目的系统（两部分）

1. 接收器

• 接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。
• 典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

1. 终点（destination）

• 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。
• 终点又称为目的站，或信宿。

2.2.1 基本概念

• 数据（data）——运送信息的实体。
• 信号（signal）——数据的电气或电磁的表现。
• “模拟的”（analogous）——连续变化的。
• “数字的”（digital）——取值是离散数值。
• 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程。
• 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程。

2.2.2 有关信道的基本概念

1. 通信：

• 单向信道（单工信道）——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（双全工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

2. 信道：

• 基带信号：就是将数字信号 1 或 0 直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。
• 宽带信号：则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。

3. 调制：

1. 基带信号：

• 来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。
• 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

(1) 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。变化后的信号仍然是基带信号。
• 这类调制称为基带调制。
• 这种过程称为编码（coding）。
• 基带调制方法：

在这里插入图片描述

• 不归零制：正电平代表 1 ，负电平代表 0
• 归零制：正脉冲代表 1 ，负脉冲代表 0

• 曼彻斯特编码：位周期正中心的向上跳变代表 0 ，位周期中心的向下跳变代表 1
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1

(2) 带通调制

• 另一类调制需要使用载波（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（即仅在一段频率范围内能够信道）
• 带通调制方法：

在这里插入图片描述

• 调幅（AM）
  • 即载波的振幅随基带数字信号而变化
  • 例如，0 和 1 分别对应于无载波或有载波输出
• 调频（FM）
  • 即载波的频率随基带数字信号而变化
  • 例如，0 或 1 分别对应于频率 f1 或 f2
• 调相（PM）
  • 即载波的初始相位随基带数字信号而变化。
  • 例如，0 或 1 分别对应于相位0度或180度

2.2.3 信道的极限容量

1. 码元传输率

在这里插入图片描述

• 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。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

2. 信噪比

• 噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0 或 0误判为1）
• 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。

计算公式：

在这里插入图片描述

香农公式

-	信道的极限信息传输速率 C 可表达为：![在这里插入图片描述](https://img-blog.csdnimg.cn/e9bfc8e222b74498b6dd2b38c13b2f04.png) 
	- W为信道的带宽（以Hz为单位）
	-	S为信道内所传信号的平均功率
	-	N为信道内部的高斯噪声功率

性质：

• 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方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

提高数据传输速率的方法 ：

• 让每一个码元携带更多比特的信息量

2.3 物理层下的传输媒体

1. 传输媒体

• 传输媒体也称为传输介质或传输媒介。
• 它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

2. 传输媒体分为两大类：

在这里插入图片描述

• 导引型传输媒体
• 非导引型传输媒体

2.3.1 导引型传输媒体

• 导引：物理上实时存在的线 非导引：没有实时存在的线，例如无线路由。
• 导引型传输媒体包括双绞线、同轴电缆和光缆。

1. 双绞线

在这里插入图片描述

• 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。
• 其通信距离一般为几到十几公里。（加中继器调整）

2. 同轴电缆

在这里插入图片描述

• 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

3.光缆

在这里插入图片描述

• 光缆通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。
• 工作原理：全反射

在这里插入图片描述

2.3.2 非导引型传输媒体

• 非导引型传输媒体用无线电波在自由空间的传播就可以较快地实现多种的通信。无线传播所使用的频段很广。

1. 短波通信（高频）

• 短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射。
• 但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量差。

2. 微波通信（低频）

• 微波的频率范围为 300 MHz ~ 300 GHz （波长 1m ~ 10 cm）
• 主要使用 2 ~ 40 GHz 的频率范围。
• 微波在空间中主要是直线传播。

2.4 信道复用技术

在这里插入图片描述

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

1. 频分复用

在这里插入图片描述

• 简：把不同的频段分给不同的用户
• 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。
• 可见频分复用的所有用户在同样的事件占用不同的带宽资源

2. 时分复用

在这里插入图片描述

• 用户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. 缺点：（信道利用率不高）

• 在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态
• 其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。
• 这就导致复用后的信道利用率不高

3. 统计时分复用

在这里插入图片描述

• 不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。
• 在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销

2.4.2 波分复用

在这里插入图片描述

• 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用。

2.4.3 码分复用（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。

1. 优点：

• 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。

码片：每一个比特时间划分为 m 个短的间隙，称为码片（chip）。

2. 码片序列特性：

(1) 互相正交性

• 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（orthogonal）

(2) 内积为 1 / -1

• 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.

3. 工作原理：

在这里插入图片描述

2.5 数字传输系统

1. 早期数字传输系统的缺点：

1. 速率标准不统一。
2. 不是同步传输。

1. SONET（Synchronous Optical Network）同步光纤网

1. SONET体系架构

1. 光子层（Photonic Layer）

• 处理跨越光缆的比特传送。

2. 段层（Section Layer）

• 在光缆上传送 STS-N帧。

3. 线路层（Line Layer）

• 负责路径层的同步和复用

4. 路径层（Path Layer）

• 处理路径端接设备 PTE（Path Terminating Element）之间的业务的传输

2.6 宽带接入技术（有线宽带接入）

2.6.1 ADSL技术

• 非对称数字用户线ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。
• ADSL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。

在这里插入图片描述

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

在这里插入图片描述

- 光纤同轴混合网（HFC网，HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写）是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

2.6.3 FTTx技术

1. 光纤到户FTTH(Fiber To The Home):

• 就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户家门后，才把光信号转换为电信号。这样做就可以使用户获得最高的上网速率。