计算机网络-物理层

一、物理层的特性

机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

电气特性：在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性：某条线上出现的某一电平的电压的意义。

过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

二、数据通信的基础知识

1、数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

常用术语：

数据 (data) —— 运送消息的实体。
信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号 (analogous signal)，或连续信号—— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal)，或离散信号 —— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元 (code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

2、有关信道的几个基本概念

信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

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。
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(当然也就不能同时接收)。
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。

调制——为了解决“基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。”的问题。必须对基带信号进行调制。调制分为两大类，即基带调制和带通调制。

基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。
基带调制：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。把这种过程称为编码。

​ 带通信号 ：经过载波调制后的信号。
​ 带通调制：使用载波进行调制，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（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。

（1）常用的编码方式

双极性码：在AMI信号中，数据流中遇到“1”时使电平在正和负之间交替翻转，二遇到“0”时则保持零电平

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：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。

差分曼彻斯特编码：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，而位开始边界没有跳变代表 1。

（2）基本的带通调制方法

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。

调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。

调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

3、信道的极限容量

从概念上讲，限制码元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,及带宽

（2）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。

​ 香农公式表明：

​ （1）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。

​ （2）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。

三、物理层下面的传输媒体（相当于第零层）

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

传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

1、导引型传输媒体

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，其通信距离一般为几到十几公里，双绞线分为屏蔽双绞线STP和无屏蔽双绞线 UTP 。

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

光缆——光纤是光纤通信的传输媒体。光纤分为多模光纤和单模光纤。
​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——若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。

2、非引导型传输媒体

传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波通信和卫星通信。

四、信道复用技术

1、频分复用和时分复用

复用是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

2、统计时分复用

统计时分复用STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。

3、波分复用

波分复用就是光的频分复用

4、码分复用

5、复用技术标准

五、数字传输系统

1988年美国首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网(SONET)。
ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系列(SDH)

六、宽带接入技术

1、ADSL

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现成的模拟电话用户进行改造，使它能够承载宽带数字业务。之所以叫做“非对称”，是因为ADSL的下行（从ISP到用户）宽带都远远大于上行（从用户到ISP）宽带。

技术原理：
ADSL技术把0-4 kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用。
ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器，我国采用的调制解调器的实现方案是离散多音调DMT调制技术。
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。

优缺点：
优点：可以利用电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线。
缺点：ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL，因此，电信局需要定期检查用户线的质量，以保证能够提供向用户承诺的最高的ADSL数据率。

2、HFC（光纤同轴混合网）

光纤同轴混合网是在目前覆盖面很广的有限电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除了可以传送电势节目外还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

主要特点：
HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。光纤从头端连接到光纤结点，在光纤结点光信号被转换为电信号，然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。

技术要求：
要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，需要把一个叫做机顶盒的设备连接在同轴电缆和用户的电视剧之间。但为了使用户能够利用HFC网接入到互联网，以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息，我们还需要增加一个为HFC网使用的调制解调器，它又称为电缆调制解调器。电缆调制解调器可以做成一个单独的设备，也可以做成内置式的，安装在电视机的机顶盒里面。

缺点：
HFC网通过光纤结点下行到每个用户时，由于每个用户串行地接入到同一根同轴电缆上，因此某个用户线上所能达到的数据率大小取决于这段电缆上现在有多少个用户正在传送数据。

3、FTTX

FTTx（ Fiber To The x）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 代表不同接入点。

光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。