物理层

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：确定传输媒体的接口的一些特性
  机械特性：例接口形状，大小，引线数目
  电气特性：例规定电压范围（+5V或-5V）
  功能特性：例规定-5V表示为0，-5V表示为1
  过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2、数据通信的基本知识

典型的数据通信模型

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• 数据通信系统：计算机通过网线接到了调制解调器上通过公用电话网（广域网）可以接到多个城市，在通过调制解调器将信号换成数字信号，然后计算机来接收
• 数字信号：就是01010101，网线上传送数据时就是有电没电有电没电，或者电压-5V+5V这样，信号是跳跃的
• 模拟信号：信号是连续的
• 计算机发送信号给接调制解调器，调制解调器将信号变成模拟信号，模拟信号就可以在广域网中传播了，家里面ADSL那个猫就是模拟信号

• 俩台直接通过交换机连接的计算机不经历这个过程，直接是数字信号到数字信号

  
  
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3、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——数据的电气或电磁的表现
  1、模拟信号 ——代表消息的参数的取值是连续的
  2、数字信号——代表消息的参数的取值是离散的
• 码元——在使用时间域的波形表示数字信号时，则则代表不同离散数值的基本波形就成为了码元

• 在数字通信中常常 用时间间隔相同的符号来表示一个二进制的数字，这样的时间间隔内的信号称之为二进制的码元，而这个间隔被称之为码元长度，1码元可以携带nbit的信息量

  
  
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4、常用编码

有关信道的基本知识

• 信道一般表示向一个方向传送信息的媒体，所以说咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收新的的信道
  单向信道（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
  双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送，当然也不能同时接收
  双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送信息和接受信息

基带信号和带通信号

• 基带信号（即基本频道信号）：来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或者图像文件的数据信号都属于基带信号，基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
• 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（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

• 因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输的方式由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化，因此在传输距离较近时计算机网络都采用基带传输的方式，如从计算机到监视器，打印机等外设的信号就是基带传输的

  
  
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对基带数字信号的几种调制方法

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常用编码

• 单极性不归零码：只是用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0

• 双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负 赋值相等

• 单极性归零码：单极性归零码即是以高电平和零电平分别表示二进制码的1和o，而且在发送码1时，高电平在整个码元期间T只持续一段时间，其余时间返回零电平

• 双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息
  

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• 曼彻斯特编码：bit中间有信号，由低到高，跳变为0，由高到低跳变为1
  采用曼彻斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过俩次采样才能得到一个bit，但他能携带时钟信号，且可表示没有数据传输
  

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• 差分曼彻斯特编码：bit中间有信号跳变，bit和bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0，bit和bit之间无信号跳变，表示下一个bit为1
  差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码
  

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奈氏准则与香农公式

信道极限容量

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奈氏准则

• 1924年，奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则，他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，
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即使别）成为不可能
• 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

信噪比-香农公式

• 香农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可表达为
  C=Wlog2（1+S/N）b/s
  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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物理层下面的传输介质

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：50Ω同轴电缆用于数字传输，由于多用于基带传输，也就叫做 基带同轴电缆，70Ω同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆

- 电缆

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网线

• 直通线：具体的线序制作方法是：双绞线夹线顺序是俩边一致，统一都是：1：白橙、2：橙、3：白绿、4：蓝、5：白蓝、6：绿、7：白棕、8：棕
  注意俩端都是同样的线序且一一对应，这就是100M网线的做线标准，即568B标准，也就是我们平常所说的正线或者标准线、直通线
• 直通线应用最广泛，这种类型的以太网电缆用来实现以下连接：
  1、主机到交换机或集线器
  2、路由器到交换机或集线器

交叉电缆

• 交换机到交换机
• 集线器到集线器
• 主机到主机
• 集线器到交换机

• 路由器直连到主机

  
  
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物理层下面的传输媒体

• 光线在光纤中的折射

  
  
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• 光纤的工作原理

  
  
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• 单模光纤和多模光纤
  单模光纤指只能传输一种电磁波模式，多模光纤只可以传输多个电磁波模式，实际上，单模光纤和多模光纤之分，也就是纤芯的直径之分。单模光纤细，多模光纤粗，在有线电视网络中使用的光纤全是单模光纤，其传播性好，带宽可达10GHZ，可以在一根光纤中传播60套电视节目

  
  
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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线传输
  无线传输所使用的频段很广，短波通信主要靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差

• 微波在空间主要是直线传播
  1、地面微波接力通信
  2、微信通信

  
  
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物理层设备——集线器

• 工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其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

信道复用技术

信道复用技术基本概念

• 复用是通信技术中的基本概念，信道复用是指将多个信息在一个信道上传输，将资源充分利用好

  
  
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频分复用FDM

• 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（请注意，这里的“带宽是频率带宽而不是数据的发送速率”）

  
  
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• 实际过程中的频分复用

  
  
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  第一个声波的频率是f1，通过调制解调器解调为A频率，发送在+那，以此类推，最后在+那将对个频率合成最后总信号在信道中传输
  例：

  
  
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时分复用TDM

• 时分复用则是将时间划分为一段段等长的的时分复用帧，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（其周期就是TDM帧的长度对应的时间）

• 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

  
  
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• 时分复用传数据

  
  
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• 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

  
  
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统计时分复用

• 在a信道加一个标记，然后根据标记在过滤出来

  
  
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波分复用

• 波分复用就是光的频分复用

  
  
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数字传输技术（广域网的传输）

• 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的电话，由于历史上的原因，PCM有俩个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称T1）和欧洲哦30路PCM（简称为E1），我国采用的是欧洲的

• E1的速率是2.048Mb/s，T1的速率是1.544Mb/s

  
  
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• 在北京有一个局域网，在上海有一个局域网，局域网之间要想通信，需要广域网连接，连广域网的线可以接网络也可以接电话

  
  
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• 声波通，过采样器一秒采样8000次，形成码元，一个码元代表8位二进制数，最后一个声波所需要的流量为8000*8=64k

  
  
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宽带接入技术（网民通过什么技术可以接入internet）

• 使用ADSL（非对称数字用户链路）拨号上网

• 通过电话线接internet，电话线这头接分离器，电话接一头，另一头接猫，连接计算器

  
  
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  以上是如何实现的呢????

• 原理
  标准模拟信号的频带被限制在300_{3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz，ADSL技术就把0}4kHz低频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用
  解释：通过电话线上网，电话线能通过的频率是0-1MHz，越大频率越高，打电话信号的频率为300-3400Hz，这些以后的高频并没有用上，ADSL上网就是用后面的这些高频来传输上网的这些数据，
  
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• ADSL使用的DMT技术
  DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高频频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道（上网），而249个子信道用于下行信道（从网上下载东西）

• 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，这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调解器并行的传送数据

  
  
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• ADSL上网机制

  
  
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光纤同轴混合网HFC

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

• HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务，现有的CATV网是树型拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模型技术的频分复用对电视节目进行单向传输，而HFC网则需要对CATV网进行改造
  在现有大型小区，有有线电视连接

  
  
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• HFC优点
  1、具有很宽的频带
  2、能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网