计算机网络——第 2 章 物理层
第 2 章 物理层
2.1 物理层的基本概念
协议又名规程
❌物理层考虑的是怎么才能在传输媒体上传输比特流，而不是具体的传输媒体
物理层主要任务/功能：确定与传输媒体的接口的特性
分为：
确定与传输媒体的接口的一些特性：
- 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
- 电气特性 指明在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表示何种意义。
- ❌过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
口诀：机电功过
数据在计算机内部通常并行传输
在通信线路（传输媒体）通常串行传输
2.2 数据通信的基础知识
2.2.1 数据通信系统的模型
分为3个部分：源系统、传输系统、目的系统
❌源系统分为2个部分：源点、发送器。最典型的发送器是调制器
❌目的系统分为2个部分：接收器、终点。最典型的接收器是调制器
传输系统可以是传输线也可以是复杂的网络系统
通信的目的/功能/作用是传送消息
2.2.2 有关信道的几个基本概念
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。
“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。
“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code)——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。
几个基本概念：单工、半双工、全双工
❌基带信号：基本，含有较多低频分量和直流分量，许多信道不能传输这种分量，必须对基带信号调制
❌调制分为2种：基带调制又名编码、带通调制
❌基带调制：仅对波形调制，变换后仍然是基带信号，所以有称为编码
❌常见的编码方式，画出图：不归零制、归零制、曼彻斯特、差分曼彻斯特。
曼彻斯特编码有自同步能力，自同步能力：可以从信号波形中提取信号时钟频率
曼彻斯特编码的1、0的定义可以反过来
❌带通信号：对基带信号用载波调制后，信号频段被搬移到较高频段，变换为模拟信号
最基本二元制的调制方法：幅（AM）、频(FM)、相（PM）
正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
2.2.3 信道的极限容量
传输时有失真和多种干扰
在信道的输出端的波形的失真就越严重，如果码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
码元速率简称传码率，又称波特率或调制速率，它表示单位时间内（每秒）信道上实际传输码元的个数，单位是波特（Baud），常用符号“B”来表示。
奈氏准则：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为2W Baud，
信噪比=S/N
香农定理C = W log2(1+S/N) b/s 注意单位
通常人们并不使用信噪比本身，而是使用10log10S/N,其单位是分贝（dB),则S/N为10时，则是10dB; S/N比为100时，则是20dB; S/N为1000时，则是30dB;
两者取min
课堂练习
2:一个用于发送二进制信号的3kHZ信道，其信噪比为20分贝，问可以取得的最大数据速率是多少？6kb/s
对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。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。
2.3 物理层下面的传输媒体
2.3.1 导向传输媒体
3种：双绞线、同轴电缆、光缆
双绞线分为STP、UTP
❌同轴电缆分为50欧姆的、75欧姆的
光缆分为多模、单模
2.3.2 非导向传输媒体
❌3种：无线、短波、微波
无线：频段很广
短波：电离层的反射、通信质量较差
微波：直线传播；地面微波接力通信，卫星通信
2.4 信道复用技术DM
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
频分复用
时分复用：将时间划分为一段段等长的TDM 帧，每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
❌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带宽度。
❌时分复用可能会造成线路资源的浪费
使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
统计时分复用 STDM
2.4.2 波分复用
波分复用 就是光的频分复用
2.4.3 码分复用
又称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)
信号特点：较强的抗干扰能力、频谱类似白噪声、不易被敌人发现
❌码片：每一个比特时间划分为 m 个短的间隔
❌码片序列：每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，则发送该码片序列的二进制反码。
例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
CDMA的特点：
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。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
CDMA是扩频通信的一种，为直接序列扩频，还有一种跳频扩频
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。 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(inner product)都是 0：
正交关系的另一个重要特性
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 。
任何一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。
✅❌3例， 共有4个站进行码分多址通信。4个站的码片序列为
A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1）
B：（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）
C：（－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1）
D：（－1＋1－1－1－1－1＋1－1）现收到这样的码片序列
S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是0还是1？
解：S·A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1， A发送1S·B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1， B发送0S·C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0， C无发送S·D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1， D发送1
总结：为1 发送1，为-1发送0，为0无发送
2.5 数字传输系统
脉码调制 PCM（Pulse Code Modulation） 体制分为3个部分 ：采样、量化、编码
用于数字语音系统
声音分为128个量化级；
每个量化级采用7位二进制编码表示；
采样速率为8000样本/秒；
数据传输速率应达到7位×8000/秒 =56kb/s；
如果每个量化级采用7+1=8位二进制编码表示; 数据传输速率应达到8位×8000/秒 = 64kb/s。
5 以太网，若其物理媒体上的信号传输率是20MBaud/s,那么该以太网的数据传输率为（ ）。 10Mb/s 解析==（曼彻斯特编码用2个码元表示1个比特）==
❌6 PCM编码方式，采样速率为8000次/秒，采用TDM传输方式，线路若要传输32路信号，每路用8位表示，则线路的传输速率是
2.048Mb/s 解析 8000乘8乘32
同步光纤网 SONET(Synchronous Optical Network)分为四个光接口层
- 光子层(Photonic Layer)处理跨越光缆的比特传送。
- 段层(Section Layer)在光缆上传送 STS-N 帧。
- 线路层(Line Layer)负责路径层的同步和复用。
- 路径层(Path Layer) 处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。
同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)
2.6 宽带接入技术
分为3种XDSL HFC FTTX
2.6.1 xDSL技术
数字用户线DSL(Digital Subscriber Line)，前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。
xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
❌xDSL 技术就把 0~4 kHz 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。
非对称数字用户线ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
ADSL特点：
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。
ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
我国目前采用的方案是==离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)==调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。
DMT 技术采用采用频分复用的方法
第二代 ADSL采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation)
2.6.2 光纤同轴混合网（HFC 网）
光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)是有线电视网 ，在CATV 的基础上，一种居民宽带接入网
除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
特点：
- 原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
- 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
- HFC 网采用结点体系结构
- 有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能
- 每个家庭要安装一个用户接口盒
优点：
2.6.3 FTTx 技术
FTTx（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。
光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
PPT练习题
❌1.物理层的主要任务是（将bit数据在物理线路上传输 答案是 制定设备与传输媒体间的接口规则实现比特传输），具体工作由4个接口特性描述，分别是（机械）（电气）（功能）（过程），物理层的发送信息的单位PDU是（比特）。接口引脚数属于物理层的（机械）特性范畴。传输距离则是由物理层（过程 答案是 电气）接口特性来描述。
❌ 2.信道的码元传输速率是有上限的，由奈氏定理知道，理想信道的波特率是该信道（带宽的2倍）。比特数据通过码元传输，一个码元可以携带多个比特，当采用8进制编码传输时，一个码元可以携带（3）位数据。设某信道带宽是300Khz，采用8进制编码传输，那么该信道最大数据传输速率为（1800 答案是 1800K）bps。
3.由香农定理知道，信道数据率最大值与信道的（带宽）和（信噪比）成正比。设某信道带宽为W，能达到的最高码元速率是（2W B）。若信噪比为30分贝（db)，能达到的最大数据率大约为（Wlog21001 b/s 答案是 10Wb/s），若能达到该数据率，调制信号状态数至少是（32）。
❌4.双绞线有分STP和UTP，（STP）性能好于（UTP），同常连网使用的是（UTP）。10Mb/s的传输速率须使用（3）类及其以上的UTP。100Mb/s的传输速率须使用（5）类及其以上的UTP
6.信道复用技术的目的是（提高信道利用率），常用的三种信道复用技术是（频分）（码分）（时分），它们分别采用（频率）（码元）（时隙）来区分不同用户信号，波分复用实际上就是（光的频分复用），统计时分复用是改进的时分复用，二者不同在于（时分复用的某一个发送方的帧在TDM帧中始终处于相同位置 答案是 统计时分复用不固定分配时间片）。
- A与其它站点 通过CDMA共享链路，A的码片序列分别是（1,1,1,1），若某时刻链路上的数据序列是（2,0,2,0,0，-2,0，-2,0,2,0,2），则发送给A的数据是（ 1，1 答案是 101）
8.数字电话系统的中继线采用（频分 答案是 TDM）复用技术为多路用户服务，PDH标准下为每一路信号提供的带宽是（64Kb/s）。
12.数字传输系统标准E1采用的是（ B 答案是 C）复用技术。
A、CDM B、FDM C、 TDM D、STDM
❌ 对于光纤、STP、UTP、铜缆以及无线传输，正确的描述是（）
光纤传输速率最高（对）
铜缆传输速率比双绞线高（对）
无线适合于广播通信（对）
UTP抗干扰性能最差（错）
ADSL：利用电话网接入，ADSL：使用了FDM技术
HFC：利用有线电视接入，HFC：使用了FDM技术
数字传输系统采用**TDM技术，模拟传输系统采用FDM**技术。
5)采用信道复用技术提高了数据传输率 F
15.若图中是一差分曼彻斯特编码，则表示的二进制串是（a），若是曼彻斯特编码，则答案是（bc）
作业
习题2-1,4，5,6，7,13,14,15,16
雨课堂测试
传输速率由(电气特性)描述
目前100Mbps局域网通常使用(5类UTP)传输线
传播时延与传输距离无关的是(D) A光纤通信，B无线通信 C微波通信 D卫星通信
❌传输数据时必须携带地址信息的是（STDMA）。
信道最大数据传输速率与（调制方式、传播速率）无关。信道带宽、信道功率
不属于OSI物理层定义范畴的是（物理寻址）。单双工传输、传输速率、信号编码
OSI体系中不参与数据封装的是（物理层）