2019/8/19——2019/8/22 第二章 物理层

2019/8/19——2019/8/22
~霞霞的笔记

第二章 物理层

2.1 物理层基本概念

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。
比特流：01010101010101类的

物理层任务：确定传输媒体的接口的一些特性，即：

机械特性：例如接口形状、大小、引线数目
电气特性：例规定电压范围（-5V到+5V）
功能特性：例规定-5V表示0，+5V表示1
过程特性（规程特性）：规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2.2 数据通信的基础知识

相关术语:
通讯的目的是传送消息。
数据（date）：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”：代表消息的参数的取值是连续的。
“数字信号”：代表消息的参数的取值是连续的、跳跃的。
码元（code）：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。

在数字通讯中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量。

信道：表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说的平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和接收信息的信道。

单向信道（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、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。

基础知识：基带（base band）信号和带通（band pass）信号

基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号。
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再信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式，由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

带通信号几种最基本的调制方法：

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。

奈氏准则：在假定理想条件（无信号干扰）下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。在任何信道中，码元传输的速率时有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

香浓公式表明：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。只要信息传输速率低于信道的极限传输速率就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香浓的极限传输率低不少。

2.3 物理层下面的传输媒体

导向传输媒体：双绞线、同轴电缆、光缆
导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播
双绞线：屏蔽双绞线STP；无屏蔽双绞线UTP
同轴电缆：50欧姆同轴电缆（基带同轴电缆）用于数字传输，多用于基带传输；75欧姆同轴电缆（宽带同轴电缆）用于模拟传输
光缆

同种设备交叉线，异种设备交叉线。

通过过信号传播：

单模光纤：只能传输一种电磁波模式，光纤细。有线电视网络中使用的全是单模光纤，其传播特性好。
多模光纤：可以传输多个电磁波模式，光纤粗。

非导向传输媒体：指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。
无线传输所使用的频段很广。
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。
微波在空间住哟是直线传播。如地面微波接力通信、卫星通信。

物理层设备：集线器
工作特点：在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的时扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力。
最大传输距离：100m
集线器是一个大的冲突域
集线器联网不安全，目前使用交换机联网

2.4 信道复用技术

频分复用FDM：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都始终占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的"带宽"是频率带宽而不是数据的发送速率）

时分复用TDM：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的出现（其周期就是TDM帧的长度对应的时间）。TDM信号也称为等时信号。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。

时分复用可能会造成线路资源的浪费，使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配倒的子信道的利用率一般是不高的。

波分复用（WDM）：光的频分复用

2.5 数字传输技术

脉码调制PCM体制：最初是为了在电话局的中继线上传送多路的电话。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）.我国采用的是欧洲的E1标准。E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

2.6 宽带接入技术

ADSL的特点：上行和下行带宽做成不对称的。ADSL在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案是离散多音调DMT调制技术。

DMT技术：DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。每个子道占据4kHz带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）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的传送数据。

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的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外，还提供打电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网时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的传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造。

HFC的主要特点：

（1）HFC网的主干线路采用光纤，HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这笔使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点，即光分配节点。在光纤结点光信号被转换为电信号，在光纤结点以下就是同轴电缆。
（2）HFC网采用节点体系结构。
（3）HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能。
（4）每个家庭需要安装一个用户接口盒。

HFC网的最大优点：具有很宽的频带，能够利用已经有的相当大的覆盖面的有线电视网。

FTTx技术：FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可代表不同的意思。