计算机网络（谢希仁）— 第二章-物理层

计算机网络（谢希仁）— 第二章-物理层

一、物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连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。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

1. 物理层的主要任务

• 主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。
  机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
  电气特性：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的意义。
  过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

二、数据通信的基础知识

1. 数据通信系统的模型

2. 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) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号 (digital signal) —— 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。
  
  例：若一个码元有4个状态值【00、01、10、11】时，该码元携带2个bit的信息量？在9600波特对应的信息传输速率是9600*2b/s?

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。例如：收音机
• 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)。例如：对讲机
• 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。 例如：电话
• 基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
• 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。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。
• 带通调制：使用载波 (carrier)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） 。
• 带通信号 ：经过载波调制后的信号。

(1) 常用编码方式

• 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。
  
• 从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻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），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

(2) 基本的带通调制方法

• 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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制 (modulation)。
• 最基本的二元制调制方法有以下几种：
  ①、调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
  ②、调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
  ③、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

• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
  
• 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
  ②、信噪比

(1) 信道能够通过的频率范围

• 具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
• 1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，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，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）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。

(2) 信噪比

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。

• 噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。

• 但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

• 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。即：
  
  例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。

• 1984年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。

• 信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
  

香农公式表明

• 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。
• 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的），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农的极限传输速率低不少。

注意

• 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。
• 这就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

三、物理层下面的传输媒体

3.1 导引型传输媒体

3.1.1 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。
  ==屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)，带金属屏蔽层，无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) ==
  
  

3.1.2 同轴电缆

• 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。
• 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
  75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用
  

3.1.3 光纤：

当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。

3.1.4 光纤的优点：

①、通信容量非常大。
②、传输损耗小，中继距离长。
③、抗雷电和电磁干扰性能好。
④、无串音干扰，保密性好。
⑤、体积小，重量轻。

3.2 非导引型传输媒体

• 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
• 无线传输所使用的频段很广。
  短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
• 微波在空间主要是直线传播。
• 传统微波通信有两种方式：
  ①、地面微波接力通信
  ②、卫星通信

3.2.1 波通信

• 微波通信是在对流层视线距离范围内利用无线电波进行传输的一种通信方式，频率范围为2～40 GHz。
• 由于微波在空间是直线传播的，传播距离受限，一般只有30～50km左右。
• 为实现远距离通信，必须在一条微波信道的两个端点之间建立若干个中继站 —地面微波接力通信。

3.2.2 卫星通信

以人造卫星为微波中继站，它是微波通信的特殊形式。卫星接收来自地面发送站发出的电磁波信号后，再以广播方式用不同的频率发回地面，为地面工作站接收。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制

四、信道复用技术

• 复用(multiplexing) 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。
  

4.1 频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

• 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
  

4.2 时分复用TDM (Time Division Multiplexing)

• 时分复用则是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地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。
• TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。
• 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
  
  

4.3 统计时分复用STDM(Statistic TDM)

4.4 波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

4.5 码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)

• 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
• 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，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

（1）CDMA的重要特点

（2）码片序列的正交关系

• 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
• 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积 (inner product) 等于 0：
  
  
  
  
  
• 用A、B、C、D的码片序列分别与接收到的码片序列相乘；然后观看结果。
  ①、结果如果是" 1 " ，表示发送的是" 1 "。例如：A乘于它本身的码片序列规格化内积等于1，于是发送的码片序列就是其本身。
  ②、结果如果是" -1 " ，表示发送的是" 0 "。发送的是反码。
  ③、结果如果是" 0 " ，表示发送的是无法送。

五、宽带接入技术

5.1 ADSL技术

• 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
• 标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
• ADSL 技术就把 0~4 kHz 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。
• DSL 就是数字用户线 (Digital Subscriber Line) 的缩写。
  

5.2 ADSL的特点

• 上行和下行带宽做成不对称的。
  上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。
• ADSL 在用户线（铜线）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 (Discrete Multi-Tone)调制技术。
  这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

5.3 DMT技术

• DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多子信道，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。
• 每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），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地传送数据。

5.4 ADSL的数据率

• 由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同），因此 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。
• 当 ADSL 启动时，用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
• 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。
• 通常下行数据率在32 kbit/s到6.4 Mbit/s之间，而上行数据率在 32 kbit/s 到 640 kbit/s 之间。