计算机网络-——物理层

第二章：物理层

物理层简单模型

一、物理层基本概念

物理层定义的标准：物理层解决传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
物理层的主要任务：确定传输媒体的接口的一些特性
机械特性：接口形状，大小，引线数量
电气特性：例如规定电压范围(-5V-5V)
功能特性：例如规定-5V上0，+5V是1
过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

二、数据通信基础知识

1、物理层通信名词：
信号：携带信息的电磁波
模拟信号：连续的波形（如正余弦函数：信息取值连续）
数字信号：方形波（消息取值离散）
码元（适用于方形波）：一个线段叫一个码元，一个码元上面可以有多个比特。
2、通信方式：
单工通信：设备只能发送数据或者只能接受数据（广播站）
半双工：设备只能在同一个时刻收数据或者发送数据（BB机）、（需要采用CSMA/CD协议）
全双工：两边同时可以发送或者接受数据（打电话）
3、信号编码方式
常用4种编码格式
单极性不归零编码：只使用一个电压值，高电平表示1，低电平表示0.
双极性不归零编码：用幅值相等的正负电平表示二进制数1和0.
单极性归零编码：发送码1时高电平在整个码元期间只持续一段时间，其余时间返回零电平。
双极性归零编码：正负零三个电平，信号本事携带同步信息
编码缺点：单极性编码的缺点是没有办法区分此时是没有信号，还是有信号。

局域网常见编码格式：
曼彻斯特编码：它将时钟信号和数据包含数据流当中，不仅传输代码信息也传输时钟同步信息，每位编码中间跳变及做时钟信号又做数据信号。而且 能区分此时是没有信号还是信号为0.但是传输速率只有调制的1/2。

差分曼彻斯特编码：抗干扰能力比曼彻斯特编码更强。每位编码中间没有跳变，bit与bit之间有信号跳变，表示下一个bit为0，bit与bit之间没有信号跳变，表示下一个bit为1。

广域网常见编码格式
4B/5B：每次对4位数据进行编码，将其转为5位符号。典型应用：100base-FX。
8B/10B:每次对8位数据进行编码，将其转变成10位符号。典型应用：千兆以太网。
8B/6T：8bit映射位6个三进制。

4、信号调制方式
基带信号：来自信源的信号，大多数为低频信号，大多需要调制；
带通信号：把低频变成高频的信号
调制的方式：
调幅（ASK：调信号高度）
调频（FSK：调信号的宽度）
调相（PSK：正弦余弦相互变化）

5、信道极限容量：
信号传输距离远或码元传输速率高波形就会失真
理想条件奈氏准则：理想条件下码元传输速率极限B=2W（B码元速率、W带宽）
• 信息量n 与码元种类N：n=log2N
• 数据速率R=Blog2N
有噪音香农定理：C=Wlog2(1-s/N)
c为数据速率，w为信道带宽（HZ为单位），s为信号的平均功率，s/N信噪比（用分贝dB）
分贝数和信噪比：dB=10lg(s/N) 20dB(s/N=100)

单位换算：通信换算进制：1G=1000M、
储存换算进制： 1G=1024M
网速100,下载文件100/8，1字节=8bit Byte=字节

三、物理层的传输媒体

1．导向传输媒体：双绞线 同轴电缆 光缆


光纤的工作原理：
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射。
多模光纤：多条不同角度入射的光线在同一条光纤中传输。（适合近距离）
单模光纤：光纤直径减小到一定范围，使光线一直向前传播而不产生多次反射。（传播性能好）

2、非导向传输媒体
无线电波：专用频率、容易窃取。微波：可分为地面微波和卫星微波。红外：设备便宜，带宽高。

四、 信道复用技术

1、频分复用 ：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终站用这个频率；相同时间占用不同的带宽资源（频率带宽）

2、时分复用：每个用户在周期的时间内使用一定的时间，不同时间占用相同频带宽度

缺点：会造成线路资源的浪费，用户对分配到的子信道的利用率一般不高。

3、统计时分复用：对发送的数据进行统计，达到一定帧数就发送，并且给每一个数据段添加一定的标志。

4、波分复用：光的频分复用

5、码分复用：常用的名词是码分多址CDMA
应用场景：手机通信，手机收到的频率都是相同，其作用就是用来区分不同的移动公司发送的不同频率。
CDMA工作原理：
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，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。
例：每个站发送一个唯一的 m bit 码片序列。
发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

内化积：
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向量的规格化内积都是-1
当内化积为1或者-1时表示可以接受到信号。但内化积为0时表示没有信号。

五、 宽带接入技术

常见快带接入技术分为3种。
ADSL：非对称数字电路，下载速度大于上传速度。低频电路交换，高频分组交换。
SDSL：对称数字电路。上传和下载一样大。
VDSL：高速传输数字电路。
1.非对称数字用户链路ADSL：使用电话线，用数字技术对现有的模拟电话用户进行改造，把0-4KHZ留给传统电话使用，把原来没有利用的高频铺段留给用户上网使用。

ADSL接入网如图

数字用户线接入复用器DSLAM
ATU-C(C表示端局Central Office)
ATU-R(R代表远端Remote)
电话分离器PS(POTS Splitter)

2.DMT技术
采用频分复用，把40kHz以上一直到1.1MHz的高频谱划分为徐队子信道，其中25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道(因为下载多于上传)。每个子信道占据4kHz的带宽，并使用不同的载波进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传输数据。

3.光纤同轴混合网HFC
HFC网是在目前覆盖范围很广的有线电视网CATV基础上开发的一种居民宽带接入网。除了可以传送CATV外，还可以提供电话/数据/和其它宽带交互型业务。现有CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用 模拟技术的频分复用 对电视节目进行单向传输。HFC需要对CATV网进行改造。

每个用户要安装一个用户接口盒。

4、 FTT技术(光纤到XX技术)

光纤到家技术:光纤一直铺设到用户家庭(155MB/s)。
光纤到大楼技术:光纤进入大楼后就转为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边技术:从路边到各用户可以使用星形结构的双绞线作为传输媒体(155MB/s)。