计算机网络 物理层

物理层的基本任务：在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

物理层的特征：

• 机械特征 ：  机械特性详细说明了物理接口连接器的尺寸、插针的数目、排列方式、插头与插座的尺寸、电缆长度以及电缆所含导线的数目等

• 电气特征 ：  电气特性说明了数据交换信号以及有关电路的特性

• 功能特征 ：  功能特性是指接口的信号根据其来源、作用以及与其他信号之间的关系而定义的特性功能

• 过程特征 ：  规程特性说明了交换电路进行数据交换的一组操作序列，由这些规程来完成0、1数据位的传输

物理层规定的这些特征就是物理层协议的内容， 计算机的物理层满足相同的特征，就可以顺利的发送和接受比特流

数据通信的基本知识：

数据通信系统的基本模型：

数字通信系统由三部分组成：

• 源系统          源点     发送器

• 传输系统      传输系统

• 目的系统      接受器    终点

 由于计算机产生的信号为 数字信号 而公共电话网只能传输 模拟信号 需要调制解调器将数字信号转化为模拟信号

• 数字信号  ：（离散信号）计算机中数据存储的方式   高电平：0    低电平：1
• 模拟信号  ：  (连续信号）一般用连续的波形表示 

信号的转换：

数字信号——模拟信号     调制解调器

模拟信号——数字信号     采集 量化  

信道的概念：信道指向某一方向传输信息的媒体

信道有两种：

• 发送信道

• 接收信道

通信类型： 

• 单工通信：     只有一个方向：要么发送 ，要么接收 

• 半双工信道：  双方都可以发送和接收，但不能同时接收和发送

• 全双工通信：  双方可同时接受和发送

信道上传输的信号 ：

• 基带信号：直接来自信源的信号

• 频带信号：处理过的基带信号

• 宽带信号：是相对一般频带传输而言的宽频带传输

信道极限传输容量：

信道在传输信号时会受到噪音等因素的干扰，从而导致信号的传输失真

信号的传输失真影响因素：

• 物理传输媒介
• 码元（使用时间域的波形表示数据信号时，代表不同离散数值的基本波形）传输速率和距离

    码元传输速率越高，信号传输距离越远，信道输出端波的失真越严重

信道的极限传输容量：不造成失真的最大码元传输速率

奈氏准则公式：（信号的传输失真）

C=2H log(2)V

C:信道中最大的传输速率

H:信道的频率

V:信道上传输信号的离散级数 （二进制为 2   八进制为 8   十六进制为 16）

香农定理：

C=W log(2)(1+S/N)

C:信道中最大的传输速率

W:信道带宽

S:信道内所有信号的平均功率

N:信道内部的高斯噪声功率

信噪比 =10 lg S/N

物理层的主要传输媒体：

导向传输媒体：

 双绞线    同轴电缆     光纤

双绞线：（10 Base-T） 

优点：成本低，易安装，直径小，密度高

缺点：抗干扰性一般 

同轴电缆：（10 Base-5）

粗缆：500m        细缆：185m

50Ω用于数字传输       75Ω用于有线电视信号传输

电阻小：传输数字信号

电阻大：传输模拟信号 

 光纤：（10 Base-F）（通信质量最安全）

单模光纤：（SMF）只有一条光线，当光纤的直径自由光的波长时，光在光纤中直线传播

多模光纤：（MMF）允许有多条具有不同入射角的光纤在纤芯中以全反射的方式传播信号

优点：传输距离远，抗干扰性强，通信保密性强，体积小，重量轻

缺点：质地脆，技术复杂

 非导向传输媒体：

• 短波通信
• 微波通信
• 卫星通信
• 激光传输

 

信道复用技术 ：

• 频分复用（FDM）：把信道划分成不同的频段

• 时分复用（TDM）：让用户在不同的时间占用同样的频带宽度

• 统计时分复用（STDM）：动态地按需分配共用信道的时隙，只将需要传送数据的终端接入共用信道，以提高信道利用率的多路复用技术

• 波分复用（WDM）：光的频分复用

• 码分复用（CDMA）：允许多个用户在同一时刻使用相同的频带进行通信，但由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰

时间片的选取：

码分复用的过程：在CDMA中，每一个比特时间进一步被划分为m个短的时间段，称为码片（chip）俗称密码，m通常为64或128，每个站的时间片序列互不相同，一般相互正交

每个站的密码由 0和1组成  0 代表 -1  ，1 代表 +1

 发送数据:

发送的数据位是1的话：发送自己的时间片序列

发送的数据位是0的话：发送自己的时间片序列反码

检测数据：用各站的时间片序列与收到的总信号做内积

 

结果为1：发送数据1

结果为0：没有发送数据

结果为-1：发送了0

 一个例子：有4个站进行CDMA通信

A(-1-1-1+1+1-1+1+1)  B(-1-1+1-1+1+1+1-1)

C(-1+1-1+1+1+1-1-1)  D(-1+1-1-1-1-1+1-1)

收到码片序列：S（-1+1-3+1-1-3+1+1）

问哪个站发送数据 发送0还是1？

更据公式 S.A=(S1*A1+S2*A2...Sm*Am)/m

S.A=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8 =1    A发送了1

S.B=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1       B发送了0

S.C=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0      C没有发送

S.D=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1    D发送了1