（2）物理层——计算机网络复习笔记

1. 物理层的基本概念

物理层解决如何在链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。
尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，以便透明地传送比特流。

物理层的主要任务为：确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

• 机械特性：比如接口形状、大小等
• 电气特性：比如电压范围
• 功能特性：比如规定-5V 表示 0，+5V 表示 1
• 过程特性：规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2. 数据通信的基础知识

典型的数据通信模型

2.1 基础知识

通信的目的是传送消息

数据：运送消息的实体

信号：数据的电气的或电磁的表现

• 模拟信号：消息的参数取值是连续的
• 数字信号：消息的参数取值是离散的

码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元

2.2 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。所以咱们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。比如：无线电广播。
• 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）。比如：电话。
• 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。

基带信号：来自信源的信号。比如计算机输出的代表各种文字或图形文件的数据信号都属于基带信号。
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。

几种调制方法：调幅、调频、调相。

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
• 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

将 1000100111 进行曼彻斯特和差曼特斯特编码

2.3 信道的极限容量

数字信号通过实际的信道

奈氏准则
理想低通信道的最高码元传输速率 =2WBaud

• W 是理想低通信道的带宽，单位 Hz
• Baud 是波特，是码元传输速率的单元
  在任何信道中，码元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成为不可能。

信噪比
是指信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N，常用分贝（dB）作为度量单位。

香农公式：信道的极限信息传输速率 C 是：
C=Wlog2(1+S/N) (bit/s)

• 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

噪声大的时候可以降低速率，从而减小差错。

奈氏准则和香农公式的应用范围

3. 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，也就是数据传输系统中在发送器到接收器之间的物理通路。分为两大类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

导引型传输媒体中，电磁波被导引着固体媒体（铜线、光纤）传播。

• 双绞线
  • 屏蔽双绞线
  • 无屏蔽双绞线
• 同轴电缆
  • 50 欧姆同轴电缆
  • 75 欧姆同轴电缆

光纤的工作原理

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。这种光纤就称为多模光纤。
单模光纤：可使光纤一直向前传播，而不会发生多次反射。这种光纤就称为单模光纤。

非导引型传输媒体就是指自由空间，电磁波的传输常称为无线传输。无线传播所使用的频段很广。
短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

微波在空间主要是直线传播。

• 地面微波接力通信
• 卫星通信

4. 信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念。

4.1 频分复用 FDM

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

例子：

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，每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占有固定序号的时隙。也称为等时信号。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。
每一个用户所占用的时隙是周期性的出现（其周期是 TDM 帧的长度对应的时间）

例子：

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）。
因此有了统计时分复用 STDM，数据帧贴上标签，不分配固定的子信道。

4.3 波分复用

波分复用就是光的频分复用。

4.4 码分复用

码分复用 CDM 更常用的名次是码分多址 CDMA。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。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪音，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。

CDMA 的工作原理

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。
任何一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积都是 1。

码片序列的正交关系
例子：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中就可看出这两个码片序列是正交的。

码分复用

5. 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。

早期的数字传输系统主要有两个缺点：速率标准不统一。不是同步传输。
速率标准不统一是因为：PCM 有两个不兼容的国际标准，北美 24 路的 T1（1.544M/s）、欧洲 30 路的 E1（2.048M/s），我国采用的是 E1。

6. 宽带接入技术

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。
ADSL 技术把 0-4kHz 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。

示意图

6.2 光纤同轴混合网 HFC

HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的居民宽度接入网。
除了可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他带宽交互性业务。现有的 CATV 网是树形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。

6.3 FTTx 技术

FTTx 也是一种实现带宽居民接入网的方案，光纤到家 FTTH、光纤到大楼 FTTB、光纤到路边 FTTC。