【计算机网络基础-学习笔记】第二部分 物理层

第二章 物理层

本章的主要内容是：

• 物理层的任务
• 几种常用的信道复用技术
• 几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL和FTTx

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一、物理层的基本概念

物理层不是指具体的传输媒体

物理层考虑的问题：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

物理层的作用就是要尽可能的屏蔽掉传输媒体与通信手段之间的差异，使上一层感觉不到这些差异

物理层的任务就是要确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

• 机械特性：接口的接线器的形状、尺寸、排列、引脚、固定等
• 电气特性：接口电缆上各条线的电压范围
• 功能特性：某条线上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

计算机内部多采用并行传输的方式，但数据在传输媒体上一般是串行传输的

二、数据通信的基础知识

如上所示，可以划分为源系统、传输系统、目的系统三个部分，且可以继续划分

• 源点： 源点设备产生要传送的数据
• 发送器： 将源点生成的比特流进行编码并发送
• 接收器： 把来自传输线路上的模拟信号进行解调
• 终点： 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流

另外还有一些常见的概念

• 通信的目的是传送消息（Message）
• 数据（Data）是运送消息的实体
• 信号（signal）是数据的电气或电磁的表现

根据信号中代表的消息的参数的取值方式的不同，信号可以分为模拟信号与数字信号

有关信道的几个概念

信道一般都是用来表示向某一个方向传送消息的实体

从通信的双方信息交互的方式来看，可分为单工通信、半双工通信、全双工通信

来自信源的信号称为基带信号，这类信号由较多的低频与直流成分，许多信道无法传输，因而需要调制

调制的两种方法：

• 基带调制：使基带信号能够与信道特性相适应
• 载波：把基带信号的频率范围搬移到较高的频段（带通调制）

常用的编码方式：不归零制、归零制、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

基本的带通调制方法：调幅、调频、调相

信道的极限容量

任何实际的信道都是不理想的，都不可能以任意高的速率进行传送

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，失真就越严重

但在数字通信中，只要能从失真的波形中识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响

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

频率范围有限，信号中的许多高频分量是无法通过信道的，如上图的前后沿变化，因此一定条件下，会失去辨别的界限。奈氏准则指出：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（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，那么就可以用更高速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，所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比
$$信噪比（dB）=10lo{g}_{10}(S/N)(dB)$$

香农公式指出了信道的极限传输速率，其中W表示信号的带宽

$$C=Wlo{g}_2(1+S/N)(bit/s)$$

其表明，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

香农公式的意义表明只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输

如果是对于频带宽度已经确定的信道，且信噪比也不能再提高，就需要通过编码来提高速率

三、物理层下面的传输媒体

注意这里的表达，是物理层下面，物理层本身指的不是传输媒体

传输媒体就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体

导引型传输媒体

1. 双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法**绞合(twist)**起来就构成了双绞线

使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统

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

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率升高而增大。使用更粗的导线可以降低衰减，但增加了导线的重量和价格

2. 同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成

由于外导体屏蔽层的作用，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

3. 光缆

光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信

实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。因此，可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤

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。这样的光纤称为单模光纤

光纤的主要优点就是通信容量大，另外还有以下优点

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
• 抗雷电和电磁干扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
• 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻。这在现有电缆管道己拥塞不堪的情况下特别有利

非导引型传输媒体

当通信需要通过一些山脉或者河流的时候，导引型传输媒体就不是很方便了

短波通信(即高频通信)主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。因此，当必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，即速率为一个标准模拟话路传几十至几百比特/秒。只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千比特/秒

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信

• 地面微波接力通信：容量大、干扰小、见效快，但信道必须直视，且保密性比较差，易受天气影响
• 卫星通信：距离远，容量大，但传播时延高，保密性较差，造价高

四、信道复用技术

复用技术是用于提高信道利用率和降低信道建设成本的一种技术

**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占用这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源

**时分复用TDM：**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周期性地出现。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

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。时分复用则更有利于数字信号的传输

在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用后的信道的总带宽就跟着变宽
而对于时分复用来说，用户增加，时隙宽度减小，宽度非常窄的脉冲信号所占的频谱范围也是非常宽的

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在前两者的基础上，为了提高时分复用的利用率，又提出了统计时分复用（STDM）

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数

由于STDM帧中的时隙并不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销

这里的集中器能够稳定工作的前提是假定各用户都是间歇地工作

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另外还有波分复用（WDM），就是光的频分复用，但是光的频率一般比较高不好表示，所以用波长来表示
随着技术的提高，在一根光纤上复用的波越来越多，就用到了新的技术密集波分复用 （DWDM）

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另外还有码分复用（CDM），其实就是给每一个用户一个单独的标识进行转换，分用器则根据标识来识别
这里的标识，术语叫做码型，各码型之间彼此正交，不会相互干扰

1用给定的码型来替代，0用所用码型的反码来替代，通过正交来进行解码

五、宽带接入技术

ADSL技术

非对称数字用户线ADSL是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造

原先建设的电话线路实际可以通过的信号频率可以超过1MHz，但电话只限制在300~3400Hz的范围内

ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）

ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器。这种调制解调器的实现方案有许多种

目前我国用的是离散多音调技术DMT，也就是“多载波”或“多子信道”的意思。其中下行比上行要多

ADSL不能保证固定的数据率，要根据用户线的质量来判断有多少个信道可以用

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM，用户线，用户家中的一些设施

ADSL调制解调器又称为接入端接单元，分为ATU-C和ATU-R

用户电话通过电话分离器（Splitter）和ATU-R连在一起，经用户线到端局， 并再次经过一个电话分离器把电话连到本地电话交换机。电话分离器是无源的，它利用低通滤波器将电话信号与数字信号分开

ADSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线

光纤同轴混合网(HFC网)

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

光纤从头端通过光纤连接到光纤结点(fiber node)。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

原来的有线电视网的最高传输频率是450 MHz,并且仅用于电视信号的下行传输。但现在的HFC网具有双向传输功能，而且扩展了传输频带

为了使模拟的电视机接收数字信号，一般要用到机顶盒，其一般也内置了电缆调制解调器(cable modem)

FTTx技术

尽快地把用户的上网速率进行升级是ISP的重要任务

光纤到户FTTH (Fiber ToThe Home)应当是最好的选择，但利用率不高且费用较高

在这种情况下，就出现了多种宽带光纤接入方式，称为FTTx,表示Fiber To The…这里字母x可代表不同的光纤接入地点。实际上，FTTx就是把光电转换的地方

一个家庭用户远远用不了一根光纤的通信容量。为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN (Optical Distribution Network)，使数十个家庭用户能够共享一根光纤干线

光线路终端OLT (Optical Line Terminal)是连接到光纤干线的终端设备。OLT把收到的下行数据发往无源的1:N光分路器(splitter)，然后用广播方式向所有用户端的光网络单元ONU （Optical Network Unit）发送

当ONU发送上行数据时，先把电信号转换为光信号，光分路器把各ONU发来的上行数据汇总后，以TDMA方式发往OLT,而发送时间和长度都由OLT集中控制，以便有序地共享光纤主干

光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长

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