计算机网络物理层的学习笔记

 物理层

物理层的主要任务：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与尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等
电器特性	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
过程特性	指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

 

注意：数据在计算机中多采用并行传输方式，在通信线路的传输方式一般都是串行传输。

 

 

数据通信系统可划分为三大部分：

（1）    源系统（发送端、发送方）

（2）    传输系统（传输网络）

（3）    目的系统（接收端、接收方）

 

源系统一般包括：

（1）    源点（源站，信源）：产生要传输的数据。

（2）    发送器：将源点产生的发送器编码后传输到传输系统（调制器）

目的系统一般包括：

（1）    接收器：接收传输系统传送过来的信号，将它转换为能够被目的设备处理的信息。（解调器）

（2）    终点（目的站，信宿）：从接收设备器获取数字比特流并进行输出。

 

数据：运送消息的实体。

信号：是数据的电气或电磁的表现。

 

信号分类：

（1）    模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。

（2）    数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。

在使用时间域的波形表示数字信号是，则代表不同离散值的基本波形就称为码元。

 

 

信道：用来表示某一个方向传送信息的媒体。（一条信道往往包含一条发送信道和一条接收信道）

从通信双方信息交互的方式来，有三种基本方式：

 

通信方式	特点	应用
单向通信（单工通信）	只能有一个方向的通信而没有反向的交互	广播和电视广播
双向交替通信（半双工通信）	通信双方可以发送信息，但不能同时发送或接收	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信息	视频电话

显然，双向同时通信效率最高。

 

基带信号：来自信源的信号。

带通信号：进过载波调制后的信号。

 

调制分类：

（1）    基带调制（编码）：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。

（2）    带通调制：把基带信号的频率范围搬到较高的频段，并转换为模拟信号。

 

常用编码方式

（1）    不归零制：电平代表1，负电平代表0.

（2）    归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

（3）    曼切斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，为周期中心的向下跳变代表1。

（4）    差分曼切斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1.。

从信号波形来看，曼切斯特编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼切斯特编码有自同步能力。

 

基本的带通调制方法：

（1）    调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化。

（2）    调频：载波的频率随基带数字信号而变化。

（3）    调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

 

 

码间串扰：在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。

注意：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：信号的平均功率与噪声的平均功率之比，常记为S/N。

信噪比（dB）= 10log₁₀（S/N）（dB）

 

香农公式指出信道的极限传输速率C是：

              C= Wlog₂（1+S/N）(b/s)

其中，W为信道的带宽（Hz），S为信道内信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

香农公式的意义在于：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。（如何提高传输速率？让每一个码元携带更多比特的信息量）。

 

传输媒体（传输介质或传输媒介）：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

（1）    导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体传播

l  双绞线：（电话系统使用最多）把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则方法绞合起来。（因为绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰）。从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环线。

l  屏蔽双绞线：在双绞线外层再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，简称STP。

无论使用哪一种双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减。

l  同轴电缆：由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。

优点：具有很好的抗干扰性，被广泛用于传输较高速率的数据。

l  光缆：光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。包装层较纤芯有较低的折射率。

l  架空明线：在电线杆上架设的相互绝缘的明线。

（2）    非导引型传输媒体：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。

l  短波通信：主要靠电离层的反射。通信质量较差，一般都是低速传输。

l  微波通信：

A．地面微波接力通信：信道容量大，传输质量高，投资少，见效快，易于跨越山河，但相邻站之间必须直视，不能有障碍物

B．卫星通信：通信距离远，通信费用与距离无关通信容量大，抗干扰性强，但具有较大的传播时延。

l  红外通信、激光通信：用于近距离的笔记本电脑的相互传送数据。

 

信道复用技术

最简单的复用就是频分复用和时分复用，这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。

进行通信时，复用器和分用器成对地使用。

（1）    频分复用（FDM）

所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

（2）    时分复用（TDM）

所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。（更利于数字信号的传输）

（3）    统计时分复用（STDM）

是一种改进的时分复用，集中器常使用这种统计时分复用。

统计时分复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。

（4）    波分复用（WDM）

就是光的频分复用。在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号，称为密集波分复用（DWDM）。

光复用器又称合波器。光分用器又称为分波器。

（5）    码分复用（CDM）（码分多址CDMA）

具有很强的抗干扰能力。

在CDMA中，每一个比特时间被划分为m个短的间隔，称为码片。使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列。

CDMA系统给每一个站分配的码片序列不仅各不相同还必须正交。

任何一个码片向量和该码片向量的规格化内积都是1，而与该码片反码的向量的规格化内积值时-1.

 

宽带接入技术

（1）    ADSL技术：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。但ADSL不能保证固定的数据率。

第二代ADSL改进的地方：提高了数据率，采用了无缝速率自适应技术，并改善了线路质量评测和故障定位功能。

（2）    光纤同轴混合网

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、数据和其它宽带交互型业务。

（3）    FTTx技术

在光纤到户（FTTH）的基础上，把光电转换的地方，从用户家中延伸到离用户家门口具有一定距离的地方。