计算机网络——物理层

2.1 物理层的基本概念

• 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
• 物理层的主要任务描述为：确定与传输媒体接口的一些特性。
• 机械特性：接口形状，大小，引脚数目
• 电气特性
• 功能特性
• 过程特性

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2.2 数据通信的基础知识

典型的数据通信模型

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相关术语

• 通信的目的是传送消息
• 数据（data） —— 运送消息的实体
• 信号（signal）—— 数据的电气的或电磁的表现
• “模拟信号” ——代表消息的参数的取值是连续的
• “数字信号” ——代表消息的参数的取值是离散的
• 码元（code） ——在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
• 1码元可以携带n bit的信息量

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有关信道的几个基本概念

• 信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。平常所说的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接受信息的信道。
• 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。（广播电台）
• 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（同时接受）（对讲机）
• 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。（电话）

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基带（baseband）信号和带通（band pass）信号

• 基带信号（即基本频道信号）——来自信源的信号。(例如说话的声波 直接表达了要传输的信息）
• 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。

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几种最基本的调制方法

• 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改变

• 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化
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常用编码

• 单极性不归零码
  • 只使用一个电压值，1代表高电平，0代表没电压
• 双极性不归零码
  • 用正电和负电分别表示二进制的数据1和0，正负幅值相等
• 双极性归零码
  • 正负零三个电压值

• 曼彻斯特编码

  
  
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• 差分曼彻斯特编码(抗干扰能力强于曼彻斯特编码）

  
  
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信道的极限容量

• 有失真，但可识别

  
  
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• 失真大，无法识别

  
  
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奈氏准则：

• 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。
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上线的。
• 理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
  • W是理想低通信道的带宽，单位是Hz。
  • Baud是波特，是码元传输速率的单位。调制解调器中经常用到波特这个概念，Bit是信息量。如果一个码元含有3个Bit的信息量 1波特=3Bit/s。

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信噪比

• 香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率
• 信道的极限信息传输速率C可表示为
  
  • 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

    
    
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2.3 物理层下面的传输媒体

导向传输媒体

• 导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。
• 双绞线
  • 屏蔽双绞线 STP
  • 无屏蔽双绞线 UTP
• 同轴电缆（有线电视后面的线）
  • 50欧姆 用于数字传输，多用于基带传输，也叫基带同轴电缆
  • 75欧姆 用于模拟传输 即宽带同轴电缆
• 光缆
  • 单模光纤（有线电视 10GHz 60套电视节目）

  • 多模光纤

    
    
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• 光线在光纤中的传输，利用全反射

  
  
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非导向传输媒体

• 非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无限传播。
• 无线传输所使用的频段很广
• 短波通信主要是靠电离层的反射，但通信质量较差
• 微博在空间主要是直线传播
  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

物理层设备——集线器（hub）

• 工作特点：他在网络中只起到放大和重发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力
• 最大传输距离：100m
• 集线器是一个大的冲突域（半双工，不能同时收发）

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2.4 信道复用技术

复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念

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频分复用 FDM（Fequency Division Multiplexing)

• 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的带宽指频率带宽而不是数据的发送速率）
  
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• 应用：打电话

  
  
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时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）

• 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM 帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（周期就是TDM 帧地长度对应地时间）
• TDM信号也称为等时（isochronous）信号
• 时分复用地所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
  
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• 时分复用可能会造成资源的浪费

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统计时分复用

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波分复用 WDM(wavelength Division Multiplexing)

• 波分复用就是光的频分复用
  
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码分复用 CDM（Code Division Multiplexing）

• 常用名词是码分多址 CDMA（Code Division Multiple Access）
• 把一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）

• CDMA 工作原理

  
  
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• 格式化内积
• 正交关系的特性
  • 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规格化内积是-1

    
    
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2.5 数字传输系统

• 脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路电话
• 两个互不兼容的国际标准
  • 北美24路 T1 速率：1.544Mb/s

  • 欧洲30路 E1 速率：2.048Mb/s（我国）

    
    
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2.6 宽带接入技术

xDSL

用数字技术对现有的模拟电话用户线进行

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• 接入方式

  
  
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• ADSL组成

  
  
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光纤同轴混合网HFC（Hybrid Fiber Coax）

HFC网是目前覆盖面很广的有线电话网 CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网

• 模拟技术的频分复用

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FTTx 技术

FTTx（光纤到......)也是一种实现居民接入网的方案。x可代表不同意思

• 光纤到户 FTTH
• 光纤到大楼 FTTB
• 光纤到路边 FTTC