【学习笔记】计算机网络 第二章 物理层

以下内容为参考课件和《计算机网络》（第7版，谢希仁编著）的个人整理，若有错误欢迎指出

第二章 物理层

一、物理层的基本概念

1、主要任务

如何在传输介质上传输比特流

2、四个特性

（1）机械特性

接口所用接线器的形状和尺寸等

（2）电气特性

线上的电压范围

（3）功能特性

某条线上某一电平的电压的意义

（4）过程特性

不同功能的各种可能时间的出现顺序

二、数据通信的基础知识

1、数据通信系统

2、相关术语

• 信道(channel)一般表示向某一方向传送信息的介质

• 通信的目的是传送消息(message)，如话音、文字、图像等

• 消息的实体是数据(data)

• 信号(signal)是数据的电气的或电磁的表现。信号分为模拟信号和数字信号两大类

• 在使用时间域(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称为码元

  • 码元速率：单位时间内通过信道的码元个数，单位为波特(baud)
  • 数据速率：单位时间内通过信道的信息量(比特数)，单位b/s或bps

注意：码元速率和数据速率两个不同的概念，对同一信道，仅当使用二进制编码时二者相等；如果一个时间域内一个时间单位有四种电平，代表则不等，因为一个码元携带了两个二进制比特

3、信号相关的基本概念

（1）通信双方的交互方式

• 单向通信
• 双向交替通信（就是不能同时发信息）
• 双向同时通信

（2）基带信号

• 基带信号：来自信源的信号。往往包含较多低频甚至直流成分，需要调制后才能通过信道传输

• 带通信号：基带信号经过载波调制后，信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输

（3）最基本的二元制调制方法

• 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
  
  为获得更高的传输速率，常采用多元制的混合调制方法，如振幅相位相结合（一个码元带2比特）

4、信道的极限容量

（1）信号失真问题

码元传输速率越高/传输的距离越远，失真更严重

（2）信道能通过的频率范围（范围总是有限的）

奈奎斯特定理

​ 理想（无干扰）低通信道最大数据传输率为
$$2H{\log }_{2}V(bps)$$
其中$H$为信道带宽，$V$为信号电平的级数（状态数）。

频带越宽能通过的高频分量越多，可以用更告诉的速率传送码元而不出现码间串扰。

（3）信噪比

信号的平均功率与噪声的平均功率之比，单位分贝
$$信噪比=10{\log }_{10}\frac{S}{N}dB$$
一般吸纳后>>噪声

（4）香农公式

信道的极限信息传输速率C：
$$C=W{\log }_2(1+\frac{S}{N})b/s$$
其中$W$为信道带宽（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

公式表明信噪比越大，极限传输速率越高

三、物理层下的传输介质

1、传输介质

数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路

分为 导引型（有线）、非导引型（无线）传输介质。

2、导引型传输介质

• 双绞线（Twisted Pair）

  • 两根绝缘铜线绞合减少相互干扰

  • 还可以再包一层铜网（STP） 实现屏蔽 ；但是安装麻烦、贵，常用无屏蔽的（UTP）

  • 价格便宜、便于安装、传输距离较短（主要用于局域网）

• 同轴电缆

  • 铜质芯线包裹屏蔽网
  • 抗干扰、传输速率高于双绞线，但造价较高，大规模安装使用不便

• 光纤

  • 石英玻璃细丝，由纤芯和包层两层构成
    

  • 分类 - 多模：多条不同入射角度的光纤一起传输，距离短、成本低 - 单模：光纤直径=光波波长，光纤沿直线传播不反射，适合长距离

  • 抗干扰、通信容量大、传输距离长、体积小重量轻、线的原材料便宜

  • 但是安装连接需要专用设备，需要光电转换，安装成本高

3、非引导型传输介质

指可传播无线电波的自由空间

适合偏远、铺设线缆较为困难、移动设备

主要分类：

• 短波通信

  • 电离层反射
  • 距离长，质量差速率低

• 微波通信及卫星通信

  • 几乎直线传播，可以通过抛物面天线聚集获得极高信噪比

  • 分类

    • 地面微波通信
      • 长距离时需要建立中继站
      • 信道频段宽容量大，在无线中抗干扰能力强，与有线比建设速度快成本低
      • 相邻站要直视，有时候受气候影响
      • 免费无线频段：ISM频段
    • 卫星通信
      • 通过卫星进行微波信号转发
      • 通信距离远、容量较大
      • 传播时延较大
      • 低轨道卫星在通信领域发展较快（成本低、信号衰减小、时延较小）
    • 其他：红外通信（易受天气和可见光影响）、激光通信（穿透力小）

四、信道复用技术

1、频分复用与时分复用

（1）复用：在一个信道上传输多路信号

（2）基本复用方法

• 频分多路复用（FDM）

  不同用户占用不同的频带资源

• 时分多路复用（TDM）

  每个用户使用不同的时隙（时间片time-slot）
  

2、波分复用（WDM）

• 实际上就是光的频分复用

• 专门用于光纤通信，一般用波长表示光载波

3、码分复用（CDM）

• 也称为码分多址（CDMA），用于无线通信

• 基本原理

  • 每一个比特时间划分为m个短的间隔——码片
  • 为每一个站分配一个唯一的m bit 码片序列，各站的码片序列必须正交（内积为0，长度为1）
  • 使用扩频通信方法，把每bit转换为m bit码片
  • 对于接收站，只需要用该站的码片点乘接收到的扩频信号，即可知道原本发送的信息

• 有很强的抗干扰能力，而且能防监听

五、数字传输系统

1、脉码调制系统（PCM）

• 用于电话交换系统

• 电话是将模拟信号到数字信号的转换（采样+A/D转换）

• 干线上需要进行时分多路复用

  • 欧洲体制（我国也采用），每帧32个时隙，其中2个用于同步和控制，每个时隙8bit。故帧长度32x8=256bit。

    8000(采样频率) x256 bit = 2.048Mb/s，称为E1

  • 北美体制：每帧24个时隙，每个时隙8bit，其中1bit为信令。此外每帧有1bit同步。故帧长度24 x 8 + 1= 193 bit 。

    8000 x193 bit = 1.544Mb/s，称为T1。经过时分多路复用构成T2、T3、T4

2、同步光纤网SONET和同步数字系列SDH

• 高速干线传输，特别是光纤传输
• 两者是制定的标准，可认为是同义词

六、宽带接入技术

接入：远程用户访问网络

宽带接入泛指超越传统的电话线拨号上网（最高56kbqs）的技术。

典型的宽带技术如下：

1、xDSL技术

• 基于原有电话线，改造使之承载宽带业务
• 其中一种类型为ADSL
• ADSL主要特点：
  • 带宽非对称，上行（用户->ISP）和下行（ISP->用户）带宽不同，适应普通用户多下载少上传的特点
  • 低频给电话，高频用作网络接入
  • 用户线间差异大，采用自适应调制技术尽量提高传输的数据率

2、HFC

• 以有线电视为基础进行改造：
  • 单项广播式传输 改为 双向传输
  • 传输电视信号 改为 传输电视、话音、数据
  • 同轴电缆为主 改为 光纤（主干）+同轴电缆
    

3、FTTx

• 基于光纤传输的带宽接入技术

• FTTH：光纤到户（最终目标，目前已能用无源光网络PON实现，上下行波分复用）