计算机与网络(二) 物理层

计算机与网络(二) ——物理层

1 概念

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

作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

用于物理层的协议也被称为物理层规程（一样意思，不同称呼而已）

物理层的主要任务

  确定与传输媒体的接口的一些特性

• 机械特性
• 电气特性
• 功能特性
• 过程特性

2 数据通信的基础知识

2. 1 数据通信系统的模型

包括三大部分：

• 源系统（发送端、发送方）
• 传输系统（传输网络）
• 目的系统（接收端、接收方）

常用术语

1. 数据：运送信息的实体
2. 信号：数据的电气的或电磁的表现
3. 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
4. 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的
5. 码元：在使用时间域（或时域）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 关于信道的基本概念

1. 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体
2. 单向通信（单工通信）：只能由一个方向的通信
3. 双向交替通信（半双工通信）：两个方向的通信，但是，通信双方不能同时发送和接收
4. 双向同时通信（全双工通信）：两个方向的通信，通信双方可以同时发送和接收信息
5. 基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。如计算机输出的代表文字和图像文件的数据信号
6. 调制：基带信号会含有低频信号甚至直流信号，很多信道不能传输低频分量或直流分量，所以需要对基带信号进行调制。 调制分为两大类：
   • 基带调制：只对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变化后的信号还是基带信号。过程称为编码。
   • 带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率搬到较高的频段，并转换为模拟信号，就能更好地在模拟信道中传输（仅在一段频率范围内能够通过信道）。（低频信号或直流信号不能传输，所以使用载波，把它带过去高频区）
   • 带通信号：经过载波调制后的信号

2.2.1 常用的编码方式

1. 不归零制：正电平表示 1，负电平表示 0
2. 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲表示 0
3. 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳表示 0，位周期中心的向下跳表示 1.也可以反过来定义。
4. 差分曼彻斯特编码：位周期中心仍然有跳变。位开始时，边界有跳变表示 0，边界没有跳变表示 1。

• 由上图，曼彻斯特编码和差分曼彻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形本身中提取信号时钟频率（没有自同步能力），曼彻斯特编码和差曼彻斯特编码具有自同步能力

2.2.2 基本的带通调制方法

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的变化而变化
3. 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号的变化而变化

正交振幅调制 QAM

作用：达到更高的信息传输速率

由上图：

• 可供选择的相位有 12 种，即 0，30°，60°，…，360°
• 对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有 16 种组合，即 16 个码元。
  • 上图中选的相位只有一种振幅选择
  • 上图中红箭头的相位有 2 种振幅选择

  

• 由于 4bit 编码共有 16 种不同的组合，所以上图的 16 个点中的每一个点都可以对应 1 种 4bit 的编码。数据传输率可提高 4 倍。

码元不是越多越好，物极必反，当每一个码元对应的比特数越多，在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就会越困难，出错率也会增加。

2.2.3 信道的极限容量

码元传输的速率越大，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就会越严重。

限制码元在信道上的传输速率的因素

1. 信道能够通过的频率范围
   • 奈氏准则
   • 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。
   • 信道的频带越宽，即能够通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
2. 信噪比
   • 信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。记为 S/N，单位为分贝(db)

• 香农公式：香农用信息论推导出，带宽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 可以表示为：

香农公式表明：

• 信道的带宽或信道的信噪比越大，信息的极限速率越大
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到方法来实现无差错的传输
• 如果信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限，则信道的极限信息传输速率 C 也没有上限（理论上）

对于频带宽度已经确定的信道，如果信噪比和码元传输速率都已经达到了上限，可以通过用编码的方法让每一个马原携带更多比特的信息量来提高信息的传输速率。

3 物理层下的传输媒体

• 传输媒体：又称传输介质或传输媒介。它是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。
• 传输媒体可分为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，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
• 非导引型传输媒体是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输被称为无线传输。

3.1 导引型传输媒体

1. 双绞线：
   • 最常用的传输媒体
   • 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通信距离为几到十几公里
   • 屏蔽双绞线 STP
   • 无屏蔽双绞线 UTP
   • 双胶线标准规定了 5 各种类的 UTP 标准（从 1 类线到 5 类线），现在最常用的 UTP 是 5 类线。

1. 同轴电缆：
   • 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
   • 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量
   • 50Ω 同轴电缆：LAN / 数字传输常用
   • 75Ω 同轴电缆：有线电视 / 模拟传输常用

1. 光缆：
   • 光纤是光纤通信的传输媒体
   • 光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他传输媒体的带宽：原因：可见光的频率非常高，108MHz 的量级。
   • 工作原理：只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可以产生全反射。

   

   • 多模光纤：可以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：光线一直向前传播，不会产生多次反射。
   • 优点：
     1. 通信容量很大
     2. 传输损耗小，中继距离长
     3. 抗雷电和电磁干扰性好
     4. 没有串音干扰，保密性好
     5. 体积小，重量轻

3.2 非导引型传输媒体

• 自由空间
• 无线传输使用的频段很广
• 短波通信（高频通信）主要靠电离层的反射，短波信道的通信质量较差，传输速率小
• 微波在空间主要是直线传播
• 传统微波通信有两种方式：
  1. 地面微波接力通信
  2. 卫星通信

4 信道复用技术

复用是指允许用户使用一个共享信道进行通信，从而降低成本，提高利用率。

4.1 频分复用 FDM

• 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终占用这个频带
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(这里是指频率带宽而不是数据的发送速率)

4.2 时分复用 TDM

• 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
• 每一个用户所占用的时隙是周期性出现的(周期就是 TDM 帧的长度)
• TDM 信号也被称为等时信号
• 时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度

• 时分复用可能会造成线路资源的浪费

4.3 统计时分复用 STDM

STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。所以统计时分复用可以提高线路的利用率。(优化了时分复用，减小线路资源的浪费)

4.4 波分复用 WDM

波分复用就是指光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号

4.5 码分复用 CDM

• 常用名词码分多址CDMA
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此之间不会造成干扰
• 这种系统发出的信号有很强的抗干扰能力

码片序列：

• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片
• 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列
  • 如果发送比特 1，就发送自己的 m bit 码片序列
  • 如果发送比特 0， 就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 0001 1011
  • 发送比特 1 时，就发送序列 0001 1011
  • 发送比特 0 时，就发送序列 1110 0100
• S 站的码片序列是(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)

CDMA 的重要特点：

• 每个站分配的码片序列必须各不相同, 并且还必须互相正交
• 在使用的系统中使用伪随机码序列

码片序列的正交关系：

• 向量 S 表示站 S 的码片向量，T 表示其他任何站的码片向量
• 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积等于 0
• 任何一个码片向量和自生的规格化内积都是 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

5 数字传输系统

PCM 有两个互不兼容的国际标准：

• 北美的 24 路 PCM(简称为 T1)， 速率是 1.544 Mbit / s
• 欧洲的 30 路 PCM(简称为 E1), 速率是 2.048 Mbit / s，是我国采用的标准

旧数字传输系统两大缺点：

• 速率不统一
• 不是同步传输

6 宽带接入技术

从宽带接入的媒体来分，可以分为两大类：

• 有线宽带接入
• 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先进行改造，使它能够承载宽带业务
• 标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400Hz 之间，但是用户线本身实际可通过的信号频率超过 1 MHz
• ADSL 把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，原来没有被用上的高端频谱留给用户上网使用
• DSL 是数字用户线（Digital Subscriber Line）的缩写

ADSL 的传输距离：

• ADSL 的传输距离取决于数据率和用户线的线径(用户线越细，信号传输时的衰减就越大)
• ADSL 能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关

ADSL 的特点：

• 上行和下行的带宽是不对称的(上行指的是从用户到 ISP, 下行指的是从 ISP 到用户)
• ADSL 在用户线的两端各安装一个ADSL 调制解调器

ADSL 的数据率：

• 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，质量差的用户线可能无法开通 ADSL

第二代 ADSL:

• 包括 ADSL2 和 ADSL2+
• 通过提高调制效率得到了更高的数据率
• 采用无缝速率自适应技术 SRA，可以在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率
• 改善了线路质量和故障定位功能，对提高网络的运行维护水平具有重要的意义

6.2 光纤同轴混合网(HFC 网)

• HFC 网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 网是树型拓扑结构的同轴电缆网络，采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输
• HFC 网对 CATV 网进行了改造
• HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分换成光纤，并使用模拟光纤技术
• 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM

HFC 网具有双向传输功能，扩展了传输频带

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
• FTTx 代表 Fiber To The … （光纤到…）
  • 光纤到户 FTTH：光纤一直铺设到用户家庭
  • 光纤到达楼 FTTB：光纤进入大楼后转换成电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户
  • 光纤到路边 FTTC：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。