物理层

物理层

物理层基本概述

物理层考虑的是怎样才能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

物理层的作用是要尽可能地屏蔽硬件设备和传输媒体种类的差异，使数据链路层感觉不到这些差异

用于物理层的协议也常称为物理层的规程

物理层的主要任务可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性

• 机械特性 例如接口形状，大小，引线数目
• 电气特性 例如规定电压范围
• 功能特性 例如规定-5v表示0，+5v表示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

数据通信基本知识

1.2.1 一个数据通信系统课划分为三大部分，源系统、传输系统、目的系统

• 源系统包括源点和发送器

• 目的系统包括接收器和终点

1.2.2 常用术语

通信的目的是传送消息，如语音、文字、图像等。数据是传送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的表现

根据信号中代表消息的参数取值方式不同，信号可分为两大类：

• 模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的
• 数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的

1.2.3 有关信道的几个概念

信道不等于电路，信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体，因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

从交互方式来看，有以下三种方式：

• 单向通道 又称单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的的交互，如无线电广播或有线电广播以及电视广播
• 双向交替通道 又称半双工通信，即双方都可以发送消息，但是不能同时发送（也就不能同时接收），就是一方发送，一方接收
• 双向同时通道 又称全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收消息

1.2.4 有关于调制

分为两类，基带调制和带通调制

• 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，变换后仍是基带信号

• 带通调制，使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，调制后的信号称为带通信号

  • 最基本的带通调制方法
  1. 调幅（AM）
  2. 调频（FM）
  3. 调相（PM）

奈氏准则和香农公式

物理层下面的物理媒体

1.4.1 导向传输媒体

1. 双绞线
   • 屏蔽双绞线（STP）
   • 无屏蔽双绞线（UTP）
2. 同轴光缆
3. 光缆
   • 多模光纤
   • 单模光纤

1.4.2 非导向传输媒体

无线电微波

1.4.5 物理层设备

集线器——在网络中只是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功能，其最大传输距离：100M

信道复用技术

​ 为了提高通信线路传送信息的效率，通常采用在一条物理线路上建立多条逻辑的通信信道来同时传输若干路信号的技术，以提高线路的利用率

1.5.1 频分复用技术

​ 有线电视传输系统就采用频分多路方式，在一条线路上传输几十套甚至上百套电视节目，交互式电视系统还要划分出上行和点播电视频段

1.5.2 时分复用技术

时分复用可能造成线路资源浪费

统计时分复用（STDM）又称异步时分复用

• 统计时分复用不能再采用物理的时隙分配方式确定不同支路或终端的信息，而必须采用携带供接收端辨认的地址信息（即标记），因此又称它为标记时分复用技术
• 数据包中携带地址信息—MAC地址等

1.5.3 波分复用技术

1.5.4 码分复用技术

• 又称码分多址 CDMA，使一个通信网络下，每个用户使用相同频带可在同一时间进行通信

• 每个用户使用经过特殊挑选的不同的码型，不会造成通信中的串扰

• CDMA广泛使用在民用的移动通信中，如TD-SCDMA、CDMA 2000等3G通信系统

码片序列

• 每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）

• 使用CDMA的每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011

  • 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列 发送序列 00011011

  • 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码 发送比特 011100100

  • 为方便，将码片中的0记为-1，将1记为+1 上述S站的码片序列通常写成：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

• 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自己的规格化内积都是-1

• 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，即码片向量的规格化内积都是0

举例

• 在一个CDMA系统中有多个站点都在相互通信，现在假定其中一个站点M想要接收S站点发送的数据。

• M接收到的信号是各个站点发送的信号的和。

• M站用S站的码片向量与接收到的信号进行规格化内积运算S.(SX+PX+…)=S. SX

  • 如果规格化内积运算结果为1，即S站发送比特1
  • 如果规格化内积运算结果为-1，即S站发送比特0
  • 如果规格化内积运算结果为0，即S站没有发送数据

数字传输系统

宽带接入技术