计算机网络原理（物理层）

物理层的基本概念

物理层

用途

解决如何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。

性质

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性
机械特性：例接口形状，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：也称规程特性，例规定建立连接时各个相关部件的 工作步骤

数据通信的基础知识

相关术语

通信的目的是传送消息。
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”——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离散的。
码元(code) ——在使用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。

有关信道的几个基本概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。
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。

基带信号和带通信号

基带信号

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。

带通信号

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在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

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。

常用编码

单极性不归零码

只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0.

双极性不归零码

用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。

双极性归零码

正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

曼彻斯特编码

bit中间有信号低-高跳变 为0；
bit中间有信号高-低跳变 为1。
采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit
但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输

差分曼彻斯特编码

bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit 为0 ；
bit中间有信号跳变， bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit 为1。
差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码

信道的极限容量

有失真，但可识别

失真大，无法识别

奈氏准则

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。
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
W是理想低通信道的带宽，单位为HZ。
Baud是波特，是码元传输速率的单位

香农公式

信噪比

信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N。以分贝为单位：dB=10log10(S/N)
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。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C = W log2(1+S/N) bit/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
S 为信道内所传信号的平均功率；
N 为信道内部的高斯噪声功率。

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。

物理层下面的传输媒体

导向传输媒体

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 Ω 同轴电缆
75 Ω 同轴电缆
光缆

非导向传输媒体

非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。

无线

无线传输所使用的频段很广。

短波通信

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

微波在空间主要是直线传播。
地面微波接力通信

卫星通信

物理层设备----集线器

工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是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

信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念。

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。
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）。

时分复用TDM

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 帧的长度对应的时间）。
TDM 信号也称为等时(isochronous)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，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

波分复用 WDM

波分复用就是光的频分复用。

码分复用 CDM

常用的名词是码分多址 CDMA
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。
每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。

码片序列

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

CDMA 的重要特点

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。

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)都是 0：

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 。
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

数字传输系统

脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。

宽带接入技术

用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造