计算机网络-物理层

一、数据通信系统模型

• 计算机网络的核心是数据的共享、交互和传输。

1、数据通信的概念

• 数据通信是指信源（信息发送方）和信宿（信息接收方）按照一定协议（或规程），以数字（基带或调制）信号为数据载体，完成信息传输的过程或方法。
• “协议”（规程）：为了能够有效和可靠地进行通信而制定的通信双方必须共同遵循的一组规则。

2、通信系统分类

通信系统按照信号种类进行区分：
1、模拟通信系统

• 模拟通信一般指的是信源发出的、信宿接收的和信道传输的都是模拟信号的通信过程或方式。因此，模拟通信系统可以说是以模拟信道传输模拟信号的系统。

2、数字通信系统

• 数字通信是指信源发出和信宿接收的是模拟信号，而信道传输的是数字信号的通信过程或方式。因此，数字通信系统可以说是以数字信号的形式传输模拟信号的系统。

3、数据通信系统

• 数据通信的信源和信宿处理的皆是数字信号，传输信道则既可以是数字信道，也可以是模拟信道。

3、数据通信系统的组成

• 从系统设备的构成可认为数据通信系统由终端设备子系统、数据传送子系统和数据处理子系统组成

如图：
1、终端设备子系统由数据终端设备及有关的传输控制设备组成

• 数据终端设备有数据输入设备和数据输出设备之分，其作用是将发送的信息变化为二进制信号传输或者把接收道德二进制信号转换为用户能够理解的信息形式。它既具有编码器的功能，又具有解码器的功能。
• 集中器是设置在远程终端比较密集处的一种传输控制设备，它的一端用多条低速线路与各终端设备相连，其另一端则用一条较高速的线路与数据传输子系统相接。传输控制设备用于数据传输的控制，借助传输控制代码完成线路的控制功能，包括通信线路的自动呼叫、自动连通/断开、确认对方的通信状态以及实现差错控制等。

2、数据传输子系统由传输信道及两端的数据电路终端设备组成

• 传输信道可以采用固定连接的专用线路或通信网
• 数据电路终端设备，比如调制解调器是为数据终端与传输信道之间提供交换和编码功能，以及建立、保持和释放线路连接功能。

3、数据处理子系统包括通信控制器在内的数据处理终端

• 通信控制器把来自数据处理终端的数据经通信控制器分发给相应的通信线路或者把来自通信线路的数据由通信控制器发往数据处理终端。
• 它是数据处理终端与各条通信线路之间的“桥梁”。通信控制器的功能把偶偶线路控制、差错控制、传输控制等。

4、常用术语

1、信息（Message）----- 通信的目的是传送消息
2、数据（Data） ----- 运送消息的实体
3、信号（Signal）----- 数据的电气或电磁的表现

• 模拟信号 ----- 代表消息的参数的取值是连续的
• 数字信号 ----- 代表信息的参数的取值是离散的

4、码元 ----- 在使用时间域（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

5、通信方式

根据通信的双方信息交互的方式，分为以下三种基本方式
1、单向通信（单工通信）

• 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
• 比如无线电广播、有限电广播以及电视广播

2、双向交替通信（半双工信息）

• 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或同时接收
• 比如对讲机

3、双向同时通信（全双工通信）

• 通信的双方可以同时发送和接收信息
• 比如手机

6、基带信号

1、基带信号即基本频带信号，是来自信源的信号。比如计算机输出的代表文字或图像文件的数据信号。
2、基带信号包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，但许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制。

7、调制

1、基带调制

• 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。
• 由于这种基带调制是把数字信号转化为另一种形式的数字信号，因此又将这种过程称为编码。

2、带通调制

• 需要使用载波进行的调制，把基带信号的频率范围搬依到较高的频段，并转换为模拟信号。
• 进过载波调制后的信号称为带通信号，仅在一段频率范围内能够通过信道。

8、常用的编码方式

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
• 亦可反过来定义

4 差分曼彻施特编码

• 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，而位边界没有跳变代表1

9、基本的带通调制方法

1 调幅（AM）

• 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（FM）

• 即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率

3 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

二、导向型传输媒体

• 数据的传输需要各类传输媒体作为载体。
• 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送端和接收器之间的物理通路。
• 传输媒体分为两大类
  • 导向型传输媒体
  • 非导向型传输媒体
• 常见的导向型传输媒体
  （双绞线和同轴电缆传输电信号、光纤传输光信号）

1、双绞线

1、把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线
2、根据双绞线手否外加屏蔽层，可分为

• 屏蔽双绞线（STP，Shield Twisted Pair）
  
• 非屏蔽双绞线（UTP，UNshield Twisted Pair）
  
• 双绞线绞合在一起主要是为了减少电磁波的耦合效应
• 对于传输数据，目前比较常用的是5类线（Category 5或CAT5）

2、同轴电缆

1、同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层组成。

2、同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据
3、目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中

3、光纤

1、有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0
2、光纤通常有石英玻璃拉成细丝
3、光线在光纤中的折射

4、光波在纤芯中的传播

5、光纤根据传输数据的模式不同，分为多模光纤和单模光纤

• 多模光纤
  
  • 可以容纳多个模式的光波进行传输
  • 颜色一般为橘红色
• 光线在多模光纤传输时因入射角的不同，会导致不同的光线进行的距离不同，即光线在光纤中传输的时间不一样。由此产生的一个结果是：
  输入的光脉冲在光纤的输出端离开时可能会有些扩散（或色散），从而导致光脉冲波形失真
• 单模光纤
  
  • 只能容纳一个模式的光波进行传输
  • 颜色一般为黄色

6、光线不能在纤芯中反射传播，只能一直向前传播，且以很小的失真离开光纤
7、四芯光缆剖面

8、光纤的特点

• 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，不易被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻

三、光导纤维

1、特点

1. 主要成分是二氧化硅
2. 透明度极高，形态为丝状
3. 横截面积为纳米量级
4. 光纤原料储存量大，材质轻便并可以提供极高的数据传输宽带

2、光纤工作原理

1 光内全反射

$\theta$₁ ：临界角 sin$\theta$₁ = $\frac{n1}{n2}$ n1、n2为折射率

• 光的全反射现象：
  只要入射角大于或等于临界角，将不存在折射现象

2 光波传播过程

• 光波在芯层中传输的方式是不断内全反射
• 在长距离数据传输中一般采用单模光纤
• 单模传输条件
  
  • $\lambda$：光纤中传输的光波长
  • d：光纤芯层的直径
  • n₁，n₂ ：光纤芯层，包层的折射率

3 光纤通信用光源

• 能够用于光纤通信用的光波称为激光。激光是一种频谱单一的光波。
• 光通信用三个低损耗窗口
  • 850nm
  • 1310nm
  • 1550nm

四、非导向型传输媒体

1、短波通信

• 短波通信主要是依靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应，是的短波信道的通信质量较差。

2、无线电微波通信

1、微波的频率范围为（300MHz-300GHz），波长为1m-1mm，主要使用2-40GHz的频率范围。微波在空间中主要是直线传播

2、传统的微波通信有几种方式

• 地面微波接力通信
  • 地面微波采用多路复用的工作方式
  • 频率范围：1-40GHz
  • 受地形与天线高度影响，相邻微波通信站之间的距离一般在40-60km
  • 中继站的作用是补偿信号能力量在传输过程中的损耗，并承担转发和分路的任务
• 卫星通信
  • 分为三种：地球同步卫星、低轨道轨道卫星、低地球轨道卫星阵列
  • 选用卫星通信需要考虑以下因素：
    1. 电波应能穿越电离层，且尽可能地减少传播损耗和外加噪声
    2. 应具有较宽的频带，以便增大通信容量
    3. 尽量避免与其他通信业务间的干扰
    4. 充分发挥现代通信与电子技术
  • 卫星通信特点：
    1. 传播时延长
    2. 传播损耗大
    3. 受大气层的影响大
    4. “面覆盖“式的传播通道
• 红外通信
  • 红外线仅限于一个小区域，通常要求红外发射器指向红外接收器
• 激光通信
  激光通信也可以称为“自由空间光通信FSO（Free Space Optical Communication）”

五、信道的极限容量

• 码元传输的速率越高，或信号传输的速率越远，或噪声越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形失真就越严重。
• 理论上，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个
  • 信道能够通过的频率范围
  • 信噪比

1、信道能够通过的频率范围

1、具体信道能够通过的频率范围总是有限的，信道中的许多高频分量往往不能通过信道。

• 码间串扰：在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。
• 严重的码间串扰使得本来分的很清晰的码元变得模糊而无法识别。

2、1924年，奈奎斯特推导出了奈氏准则。给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值

3、在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上线，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）不可能。

4、如果信道的频带越宽，也就是能够通过的高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

2、信噪比

1、由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会是接收端对码元的判决产生错误。例如把1误判为0或把0误判为1。

2、噪声的影响是相对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

3、信噪比

• 信号的平均功率和平均功率之比，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。即：
  信噪比（dB）=10log₁₀(S/N)（dB）
  如：当S/N=10时，信噪比为 10log₁₀=10（dB）

4、香农公式指出信道的极限信息传输速率C是：
C=W*log₂(1+S/N)（bit/s）

• W为信道的宽度，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

5、香农公式表明

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信道的极限传输速率就越高
• 只要信道传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输

6、提高信息的传输速率
用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

六、信道复用技术

1、信道复用

信道复用是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法。

分用器的作用：把高速信道传送过来的数据进行分用，分别交给相应的用户。

2、 信道复用技术分类

1 频分复用（FDM）

• 频分复用的用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的带宽指的是频率带宽）
• 要求总频率的宽度大于个子信道频率的和
• 为了保证子信道所传输的信号互不干扰
  • 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中始终都占用这个频带
  • 在各子信道之间设立隔离带

2 时分复用（TDM）

• 将时间划分为一段段等长的时分复用帧，称之为TDM复用帧
• 每一个时分复用用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙，所占的时隙总是周期性的出现，故TDM信号也称为等时信号
• 时分复用的所用用户是在不同的时间占用相同的频带宽度；在使用时分复用时，每一个时分复用帧的长度是保持不变的
• 当用户增加时，每一个用户所占的时分复用帧中的时隙就会相对减少，可以通过减少每一个用户所占的时分复用帧的时隙提高用户数量

3 波分复用（WDM）

• 波分复用就是光的频分复用
• 波分复用就是将一根光纤转换为多条“虚拟”纤，每条虚拟纤独立工作在不同的波长上面，通过光调制器等器件的改进增加虚拟纤的数量不断提高光纤的传输容量

4 码分复用（CDM）

• 码分复用是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式
• 常用的名词是码分多址CDMA
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型（码片序列表示），因此彼此不会造成干扰
• 码片序列（chip sqquence）
  • 每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列
    • 如发送比特1，则发送自己的m bit码片序列
    • 如发送比特0，则发送码片序列的二进制反码
      例如：S站的8bit码片序列为00011011
      • 发送比特1时，就发送00011011
      • 发送比特0时，就发送11100100
• 码片序列的三个正交关系
  • 每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
    两个不同站的码片序列正交：令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量，向量S和向量T的规格化内积都是0
    
  • 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
    
  • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积都是-1

七、ADSL非对称数字用户线

铜线接入网络是目前使用历史最久、分布地域最广、覆盖用户群体最大的接入网络。

1、网络接入技术

1、网络接入技术解决的问题是如何使用户连接到网络。
2、用户想要连接到互联网都必须先通过网络接入技术连接到本地的一个因特网服务提供商ISP，并获得上网所需的IP地址。

3、目前网络接入技术主要分为四类

• 光纤接入（FTTx）
• 同轴接入（HFC）
• 铜线接入（xDSL）
• 无线接入

2、ADSL接入网的一般架构

1、接入点又称为DSLAM（数字用户线接入复用器），它包括许多的ADSL调制解调器，它在上行方向完成复用/集中功能，将来自多个用户的信号复用为一个更高速率的数据流送到主干网，在下行方向完成解复用/寻路的功能，将主干网来的高速数据流解复用完成后送到相应的用户；

2、接入端单元ATU即为ADSL的调制解调器，他们成对使用，在局端和用户端分别为ATU-C（C代表局端）和ATU-R（R代表远端）

3、Splitter是分离器，利用低通滤波将电话信号与数字信号分开，用户短话通过分离器和ATU-R连在一起，经用户线到端局并再次经过一个分离器把电话连到公共交换电话网络（PSTN，Public Switched Telephone Network）

4、分离器是无源的，这是为了在停电时不影响电话的使用

5、ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载带宽数字业务

6、ADSL技术把0-4kHZ低端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

3、ADSL的极限传输距离

• ADSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系（用户线越细，信号传输时的衰减就越大），而所有得到的最高数据传输率与实际的用户线上的信噪比密切相关

4、ADSL的特点

1. 用户一般从网络获取资源，而向互联网发送的信息量一般不会太大，故上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户
2. ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器

5、DMT技术

1 离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术

• 多音调是“多载波”或“多子信道”的意思
• DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直用到1.1MHz的高端频划分为许多子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道
• 每个子信道占据4kHz带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。

2 DMT技术的频谱分布

• 低端频谱留给了传统电话，高端频谱则留给了用户上网使用

6、ADSL的数据率

1. 由于用户线的具体条件往往相差很大，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传输尽可能高的数据率
2. 当ADSL启动时，用户两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量
3. ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL
4. 通常下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s，而上行数据率在32kb/s到640kb/s

7、ADSL优点

• 可利用现有的用户电话线通过公共交换电话网，开通传统的电话业务和高速数字业务

8、第二代ADSL技术

1. 通过提高调制效率得到了更高的数据率
2. 采用了无缝速率自适应技术SRA（Seamless Rate Adaptation），可以在运营不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调制数据率
3. 改善了线路质量评测和故障定位功能