计网：物理层

1.物理层的基本概念

• 物理层考虑的是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。大家知道，现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。

• 可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

  （1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。不同的电脑的接口是相同的。
  （2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。规定了电压的范围。
  （3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。在电信号转化为数字信号是，规定了某一电位代表的意义。
  （4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。由于进行分组交换，所以要进行某一文件顺序的排列。

2.数据通信的基础知识

2.1数据通信系统的模型

• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

  （1）源点——源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
  （2）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够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器）。
  （3）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。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
  （4）终点——终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如,汉字在计算机屏幕显示处来）

• 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：
  （1）模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。
  （2）数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。

2.2有关信道的几个基本概念

• 信道一般用来表示向某一方向传输信息的媒体。

• 信道分为两种：

  （1）基带信号：将数字0和1直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输。

  （2）带宽信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。

• 从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：
  （1）单向通信又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
  （2）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信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。对讲机就是这种通信方式。
  （3）双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。电话就是这种方式。

• 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。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码。另一类调制则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，这样就能够更好地在模拟信道中传输。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），而使用载波的调制称为带通调制。

• 常用的基带调制的编码方式：

  （1）不归零制正电平代表1，负电平代表0。

  （2）归零制正脉冲代表1，负脉冲代表0。
  （3）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。但也可反过来定义。
  （4）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。

• 基本的带通调制的方式：

  （1）调幅——即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
  （2）调频——即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
  （3）调相——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。

2.3信道的极限容量

• 为了计算出信道的极限信息传输速率，香农发明了香农公式：

式中，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。这里只给出 其结果。香农公式表明，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。

• 从香农公式不难看出，对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有什么办法提高信息的传输速率呢？这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。我们可以用个使用八进制，用三个二进制数表示一个八进制。

3.物理层下的几个传输媒体

3.1导引型传输媒体

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

• 同轴电缆

• 光缆

3.3非导引型传输媒体

• 非导引型传输媒体用无线电波在自由空间的传播就可以实现多种通信。
• 分为两种通信：短波通信（高频）、微波通信（低频）。

4.信道复用技术

4.1频分、时分和统计时分复用

• 表示A1，B1和C1分别使用一个单独的信道和A2，B2和C2进行通信，总共需要三个信道。但如果在发送端使用一个复用器，就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。当然复用要付出一定代价（共享信道由于带宽较大因而费用也较高，再加上复用器和分用器）。

• 频分复用：用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始自中都占用这个频带。可见频分复用的用户在同样时间占用不同的带宽资源。

• 时分复用：时分复用的所有用户时在不同的时间占用同样的频带宽度（目前最常用的复用方式）。

假设将时间分为n段，用户A永远使用每一段的同一位置进行传输。若用户A在他的时间段不适用网络，则就造成资源 的浪费。

• 统计时分复用：在时分复用的基础上，不是固定分配时隙，而是按需动态分配实现。在每个时隙中还必须有用户的地址信息，因此有了一些不可避免的开销。

假设用户A和B在第一个时间段进行传输信息，而用户C和D不使用网络，则将第一时间段多余的资源都给A和B。

4.2波分复用

• 波分复用（WDM）就是光的频分复用。

4.3码分复用

• 码分复用 （CDM）是另一种共享信道的方法，每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，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。

• 在CDM中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片。使用CDM的每一个站被指派唯一的m bit 码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，而当S发送比特0时，就发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1，将1写为+1。因此S站的码片序列是（-1-1-1+1+1-1+1+1）。

• CDM系统的一个重要特点就是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。

• 不仅如此，向量S和各站码片反码的向量的内积也是0。另外一点也很重要，即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。

• 而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.宽带接入技术

5.1ADSL技术

• 非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。

5.2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，除可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

5.3FTTx技术

• 从技术上讲，光纤到户FTTH应当是最好的选择，这也是广大网民最终所向往的。所谓光纤到户，就是把光纤一直铺设到用户家庭。只有在光纤进入用户的家门后，才把光信号转换为电信号。这样做就可以使用户获得最高的上网速率。