【计算机网络】物理层

1、物理层

数据单位：比特
物理媒体不属于物理层
功能：透明的传送比特流。连接到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
作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

2、物理层的四个特性（接口的基本特性）

机械特性（语法）：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
电气特性（语法）：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
功能特征（语义）：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
过程特性（同步）：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

3、数据通信的基础知识

3.1 数据通信系统

源系统：发送端、发送方
传输系统：传输网络
目的系统：接收端、接收方

3.2 码元

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
承载信息量的基本信号单位
M进制码元

3.3 信道的通信方式

单信道（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
双向交替信道（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（也不能同时接收）
双向同时信道（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息

3.4 常用编码方式

• 不归零制（不具有自同步能力）
• 归零制（不具有自同步能力）
• 曼彻斯特（具有自同步能力）：位于周期中心的向上跳变代表0，向下为1
• 差分曼彻斯特（不具有自同步能力）：中心处始终有跳变。未开始边界有跳变代表0，没有代表1
  

3.5 最基本的二元制调制方法

调幅（AM）：振幅
调频（FM）：频率
调相（PM）：初始相位

3.6信道的极限容量

限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个

• 信道能够通过的频率范围
• 信噪比

信道能够通过的频率范围（奈式准则）

• 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
  W是理想低通信道的带宽，单位为赫（Hz)
  每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率时每秒2个码元
  Baud时波特，是码元传输速度的单位，1波特为每秒传送1码元

• 理想带通特性信道的最高码元传输速率 = W Baud
  单赫带宽的理想信道的最高码元传输速率是每秒1个码元

• 码元传输速率为RB，信息传输速率为Rb
  对二进制码元：Rb=RB
  M进制：Rb=RBlog2M

信噪比

• 信号的平均功率和噪声的平均功率之比（S/N），单位为分贝（dB）
• 信噪比（dB）= 10log10(S/N)

香农公式

• 信道的极限信息传输速率C=W log2(1+S/N) (bit/s)
• W为信道带宽，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
• 信道的带宽或信道比中的信噪比越大，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C，就一定可以找到某种方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，则信道的C也没有上限
• 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

4、物理层下面的传输媒体

又称为传输介质或传输媒介

4.1 导引型传输媒体

双绞线

• 最常用的传输媒体
• 模拟传输和数字传输都可用，距离一般为几到十几公里
• 屏蔽双绞线（带金属屏蔽层）
• 无屏蔽双绞线

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

光缆（光纤）

• 传输带宽远远大于其他各种传输媒体的带宽（约为10^8MHZ量级）
• 多模光纤：存在多条不同角度入射的光线在同一条光纤中传输
• 单模光纤：光纤直径减小到一个光的波长
• 优点
  ｜ 通信容量非常大
  ｜ 传输损耗小，中继距离长
  ｜ 抗雷电和电磁干扰性能好
  ｜ 无串音干扰，保密性好
  ｜ 体积小，重量轻

4.2 非导引型传输媒体

短波

• 通信质量较差，传输速率低

微波

• 主要是直线传播

5、信道复用技术

5.1 复用

• 通信技术的基本概念
• 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

5.2 频分复用 FDM

• 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
• 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
  注：此处“带宽”是频率带宽，而不是数据的发送速率

5.3 时分复用 TDM

• 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）（周期性出现），每个用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙
• TDM信号也成为等时信号
• 用户在不同的时间占用同样的频带宽度
• 可能会造成线路资源的浪费
  当某个用户暂时无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态

5.4 统计时分复用 STDM（异步时分复用）

• 计算机网络中，各计算机发送的数据帧在同轴电缆构成的共享信道中传输时的复用技术
• STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙
• 可以提高线路利用率
• 每个时隙中还必须有用户的地址信息，将产生额外开销

5.5 波分复用 WDM

即光的频分复用，一根光纤来同时传输多个光载波信号

5.6 码分复用 CDM

• CDMA码分多址
• 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
• 有很强的抗干扰能力，且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
• 每个站被指派一个唯一的m bit码片序列，并且必须相互正交
  发送比特1，则发送自己的码片m
  发送比特0，则发送该码片的二进制反码
• 在实用的系统中是使用伪随机码序列
• 码片序列实现了扩频
  假设S站要发送信息数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，所以数据率提高到mb bit/s，同时所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍
• 扩频
  直接序列扩频DSSS（码片序列）
  跳频扩频FHSS

6、宽带接入技术

6.1 从宽带接入的媒体划分

有线宽带接入
无线宽带接入

6.2 主要的有线宽带接入（三种带宽接入技术）

• xDSL技术（数字用户线技术）（电话线）
  用数字技术对现有的模拟电话用户进行改造，使它能够承载宽带业务
  xDSL技术把0~4kHz地段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

• 光纤同轴混合网（HFC网）
  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
  除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务

• FTTx技术
  一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式