计算机网络——物理层

一、概论引入

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1. 物理层的基本任务。

2. 几种常见的信道复用技术。

3. 几种常用的宽带接入技术，重点是FTTx。

注：本文所总结内容来源于谢希仁所编著的第八版《计算机网络》。

二、内容

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1、物理层的基本概念

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(1) 基本特性

• 机械特性

指明借口所用的接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列等。

• 电气特性

指明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。

(2) 数据传输方式

数据在通信线路上（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输

2、数据通信的基本知识

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(1) 数据通信系统的模型

① 数据信息系统的组成

• 源系统（或发送端、发送方）

• 传输系统（或传输网络）

• 目的系统（或接收端、接收方）

② 源系统组成

• 源点

源点设备产生要传输的数据（汉字、比特流），源点又叫源站或信源。

• 发送器

通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输，例：用户在外部无法看见的调制器（把数字比特流转换成模拟信号）。

③ 目的系统的组成

• 接收器

接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息，例：典型的接收器就是解调器（把模拟信号进行解调，还原成发送端发送的产生的数字比特流）。

• 终点

从接收器获取传送来的数字比特流，然后输出信息，终点又叫目的站或信宿。

④ 通信的目的

• 通信的目的就是传送消息

⑤ 常用术语介绍

• 数据

数据是运送消息的实体。

• 信号

信号则是数据的电气或电磁的表现。

• 模拟信号，或连续信号

代表消息的参数的取值是连续的。

• 数字信号，或离散信号

代表消息的参数的取值是离散的。

• 码元

代表不同离散数字的基本波形就称为码元。

(2) 有关信道的几个基本概念

① 信道的概念

• 信道一般都是用来表示向某一个方向传送消息的媒体；一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

② 通信双方信息交互方式

• 单向通行

又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互（例：无线电广播、有线电广播、电视广播）。

• 双向交替通信

又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送消息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。

• 双向同时通信

又称为全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收消息。

注：有时人们也用”单工“这个名词表示双向交替通信，例：单工电台就并不是单向通信。

③ 调制的原因以及分类

• 原因

来自信源的信号常称为基带信号（基本频带信号），包含较多的低频分量，甚至有直流分量，很多信道不能直接传输这两种分量，所以为了解决这一问题就需要对基带信号进行调制。

• 调制分类

• 基带调制

仅仅对基带信号的波形进行变换，变换后的信号仍然是基带信号；由于这种基带调制是把数字信号转换成另一种形式的数字信号，大家更愿意把这种过程 称为编码。

• 带通调制

带通调制需要使用载波进行调制，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，经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），使用载波的调制称为带通调制。

④ 常用的编码方式

• 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。但是也可以反过来定义。

• 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。

注：曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高，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），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

⑤ 基本的带通调制方法

• 调幅（AM）

即载波的振幅随基带数字信号而变化。例：0或1分别对应于无载波或有载波输出。

• 调频（FM）

即载波的频率随基带数字信号而变化。例如：0或1分别对应于f1或f2。

• 调相（PM）

即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

注：为了达到更高的信息传输率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例：正交振幅调制QAM。

(3) 信道的极限容量

① 信道能够通过的频率范围

• 码间串扰

信号中的高频分量在传输时衰减，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象就叫码间串扰。

注：为了避免码间串扰，就出现了奈氏准则。

• 奈氏准则（结论）

在带宽为 W（Hz）的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W（码元/秒）。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（即识别）成为不可能。

② 信噪比

• 定义解释

信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N，单位分贝（dB），信噪比（dB） = 10 \lg (S/N) （dB）。

• 香农公式

信道的极限信息传输速率C是：C = W \log_2(1+S/N) （bit/s），W为信道的带宽，单位Hz，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。

• 香农公式的结论

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。

注：用编码的方法可以让每一个码元携带更多比特的信息量，但是无论采用多复杂的编码技术，都不可能突破香农公式所得出的极限传输速率。

3、物理层下面的传输媒体

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• 传输媒体

也叫传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，有导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

(1) 导引型传输媒体

① 双绞线

• 介绍

双绞线又叫双扭线，是最古老、最常用的传输媒体。

• 分类

无屏蔽双绞线UTP和屏蔽双绞线

② 同轴电缆

• 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量

③ 光缆

• 光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝。

• 分类

单模光纤和多模光纤。

• 光纤优点

• 通信容量大；

• 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。

• 无串音干扰，保密性好。

• 体积小重量轻。

(2) 非导引型传输媒体

① 多径效应

• 多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真。

② 微波接力

• 解释

为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，这种通信方式就叫“微波接力”。

• 微波接力的主要特点

• 微波频段频率很高，频段范围也很宽，所以通信信道的容量很大。

• 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（甚至高频）通信小得多，所以微波传输质量较高。

• 与相同质量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山河、江河。

• 微波接力通信的一些缺点

• 相邻站之间必须直视（常称为视距LOS），不能有障碍物。又是一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。

• 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。

• 与电缆通信系统比较，微博通信的隐蔽性和保密性较差。

• 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

注：卫星通信的主要优缺点大体上和地面微波通信差不多，还有一个特点就是具有较大的传播时延。

4、信道复用技术

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(1) 频分复用、时分复用和统计时分复用

① 频分复用FDM

• 概念

有 N 路信号在一个信道中传送，使用调制的方法，把各路信号分别搬移到适当的频率位置，使彼此不产生干扰。

• 说明

频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽（这里的带宽是频率带宽而不是数据发送速率）资源。

② 时分复用TDM

• 原理说明

时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即 TDM 帧），每一路信号在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙每一路信号所占用的时隙周期性地出现（周期就是一个 TDM 帧的长度）。

• 说明

TDM信号也称为等时信号，时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频道宽度。

• 缺点

如果一个TDM帧填不满的话，就会造成线路资源的浪费。

注：FDM这种方式称为频分多址接入FDMA，简称为频分多址；而TDM这种方式就叫时分多址接入TDMA，简称时分多址。

注：在进行通信时，复用器和分用器成对地使用。在复用器和分用器之间就是用户共享的高速信道；分用器的作用和复用器相反，把高速信道传过来的数据进行分用，分别交到相应的用户手上。

③ 统计时分复用STDM

• 描述

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，它是一种改进的时分复用，能明显的提高信道利用率，集中器常使用这种统计时分复用。

• 原理及改进的地方

每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器（统计时分复用用的集中器又叫做智能复用器）上的用户数，各用户有数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，对没有数据的缓存就跳过去，当一个帧的数据放满了，就发送出去；STDM帧是动态分配时隙的，所以发送数据时STDM帧基本上随时都是满的，而且某一个用户所占的时隙可能并不是周期性的出现的，所以统计时分复用又称为异步时分复用，普通的时分复用就是同步时分复用。

注：TDM帧和STDM帧都是物理层传送的比特流中所划分的帧，这和数据链路层的帧是完全不同的概念。

(2) 波分复用

① 波分复用

• 定义

波分复用 WDM 就是光的频分复用，载体是光纤。

注：随着时代的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多，现在可以做到一根光纤上复用几十路甚至更多的光载波信号，于是就出现了密集波分复用 DWDM 这一名词。

• 其他名词介绍

光复用器：波分复用的复用器，又叫合波器。

光分用器：波分复用的分用器，又叫分拨器。

(3) 码分复用

① 码分复用的定义及原理介绍

• 码分复用 CDM 是另一种共享信道的方法，当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA。

注：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。

• 工作原理

在 CMDA 中，每一个比特时间再划分为 m bit 码片序列；一个站如果要发送比特1，就发送自己的 m bit 码片序列，如果要发送比特0，就发送该码片序列的二进制反码。

• 其他介绍

码分复用最初用于军事通信，因为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。

② 扩频

• 扩频的解释

每个比特要转换成m个比特的码片，实际就是把发送数据率提高m倍，频带宽度也提高到原来的m倍，这种通信方式就是扩频通信中的一种。

• 扩频的分类

扩频通常有两大类，一种是直接序列扩频 DSSS（就像上述的码片序列），另一种是跳频扩频 FHSS 。

③ 码分复用的特点及计算方式

• CDMA 系统的一个重要特点

这种体制给每一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，且在实用的系统中是使用伪随机码序列。

• 正交关系数学公式表达

令向量 S 表示站 S 的码片量，再令 T 表示其他任何站的码片向量，则两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积都是0：

，并且向量 S 和各站的码片反码的向量的内积也是0.

注：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，即：

，而且一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

5、数字传输系统

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(1) 早期电话网

① 长短途电话线路类型

• 长途电话

长途干线采用的是频分复用 FDM 的模拟传输模式。

注：目前长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式，质量更好，更加经济。

• 短途电话

采用的是最廉价的双绞线电缆。

② 早期的数字传输系统的主要缺点

• 速率标准不统一

多路复用的速率体系：北美和日本的 T1 速率（1.544 Mbit/s），欧洲的 E1 速率（2.048 Mbit/s）。

• 不是同步传输

准同步系统中，各支部信号的时钟频率有一定的偏差。

注：为了解决这些问题，美国首先推出了一个数字传输标准，即同步光纤网 SONET（各级时钟采用的是铯原子钟），后在此基础上 ITU-T 制定出国际标准 同步数字系列 SDH。

6、宽带接入技术

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(1) ADSL 技术

① 解释说明

• 非对称（即ADSL 的下行带宽远远大于上行带宽）数字用户线 ADSL 技术是对用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使之能够承载宽带数字业务。

注：ADSL 的传输距离取决于数据率和用户线的线径（越细，信号衰减越大，并且最高数据速率与实际线上的信噪比有关），并且 ADSL 不能保证固定的数据率。

② ADSL 接入网的组成

• 数字用户线接入复用器 DSLAM

• 用户线

• 用户家中的一些设施

③ ADSL 中的一些名词解释

• ADSL 调制解调器

又称为接入端接单元 ATU，进行数字调制并行的传输数据。

• ATU-C

电话端局的调制解调器。

• ATU-R

用户家的远端调制解调器。

注：用户电话通过电话分离器和 ATU-R 连接在一起，电话分离器是无源的，利用滤波器将电话信号与数字信号分开。

④ 第二代ADSL

• 改进的地方

• 通过提高调制效率得到了更高的数据率。

• 采用了无缝速率自适应技术 SRA。

• 改善了线路质量评测和故障定位功能。

注： ADSL 并不适应于企业，为了适应企业推出了几种变型：DSL，即 SDSL，它还有一种版本使用两对 DSL 线的 HDSL；除此之外还有一种比 ADSL更快的、用于短距离传输的 VDSL（甚高速数字用户线）；这些不同的DSL都可以记为 xDSL。

(2) 光纤同轴混合网（HFC网）

• 改进

把原有电视网中的同轴电缆主干部分换成了光纤（光纤从头端连接到光纤节点）。

注：要接受电视数字信号，要把机顶盒连接在同轴电缆和电视机之间，而且还要增加一个电缆调制解调器

(3) FTTx 技术

① 解释

• FTTx是多种光纤宽带接入技术。

② 装置配置

• 光配线网 ODN

光纤干线和用户之间的中间转换装置。

• 无源光网络 PON

无需配备电源、基本不用维护，长期运营成本和管理成本都很低的无源光配线网。

• 光线路终端 OLT

连接到光纤干线的终端设备，把收到的下行数据发往无源的 1:N 光分路器，然后用广播的方式向所有的用户端的光网络单元 ONU 发送。

③ 无源光网络 PON中最流行的两种

• 以太网无源光网络 EPON

• 吉比特无源光网络 GPON