计算机网络02：物理层

目录

• 2.1、物理层的基本概念
• 2.2、数据通信的基础知识
  • 2.2.1、数据通信系统的模型
  • 2.2.2、有关信道的几个概念
  • 2.2.3、信道的极限容量
• 2.3、物理层下面的传输媒体
  • 2.3.1 导引型传输媒体
  • 2.3.2 非导引型传输媒体
• 2.4、信道复用技术
  • 2.4.1、频分复用、时分复用和统计时分复用
  • 2.4.2、波分复用
  • 2.4.3、码分复用
• 2.5、数字传输系统
• 2.6、宽带接入技术
  • 2.6.1、ADSL 技术
  • 2.6.2、光纤同轴混合网（HFC网）
  • 2.6.3、FTTx 技术

计算机网络：物理层

2.1、物理层的基本概念

物理层解决的是如何在连接各种计算机上的传输媒体上传输数据比特流，而是指具体的传输设备。

物理层的主要任务描述为：确定与传输媒体的接口的一些特性；

• 机械特性：例如接口形状，大小，引线数目

• 电气特性：例如电压范围（-5V到+5V）

• 功能特性：例规定-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门的工作步骤

2.2、数据通信的基础知识

2.2.1、数据通信系统的模型

调制解调器：将数字信号变为模拟信号；将模拟信号变为数字信号；

常用术语

通信的目的是为了传送消息。

• 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 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号 (digital signal) —— 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。

码元（code）：用一段时间间隔时内的波形代表数字信号

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数字，这样时间间隔内的信号称为二进制码元。这个时间间隔称为码元长度。

1 码元可以携带 nbit 的信息量。

2.2.2、有关信道的几个概念

信道一般表示为向某一个方向发送消息的载体。

平常所说的通信信道，一般包含一条发送消息的信道，一条接收消息的信道。

• 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。
  • 例如：广播电台，收音机
• 双向交替通信（半双共通信）：通信的双方都可以发送消息，但是不能同时发送，也不能同时接受。
  • 例如：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受消息
  • 例如：手机

基带信号（baseband）和带通信号（band pass）

基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号（未经处理）。像计算机输出的代表各种文字或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至后，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）

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变化。
• 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

常用的编码

• 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。
• 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
• 单极性不归零码：只使用一个电压值，用高电压表示 1，没电压表示 0。
• 双极性不归零码：用正电压和负电压分别表示二进制数据的 1 和 0，正负幅值相等。
• 双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。
• 曼彻斯特编码
• 差分曼彻斯特编码

采用曼彻斯特编码，一个时钟周期只可表示一个 bit，并且必须通过两次采样才能得到一个 bit，但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输。

我想的更容易辨别的是：看 1 个 bit 起始和结束箭头的位置，如果两个箭头指向的电平相等，则表示不变，为1；否则为 0

2.2.3、信道的极限容量

奈氏准则

1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 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（即识别）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。

理想低通信道的最高码元传输速率 = (2 WBaud)

• W：理想低信道的带宽，单位为 HZ
• Baud：波特，是码元的传输速率的单位

波特和 Bit 的区别

波特 在调制解调器中经常用的概念，Bit 是信息量，如果一个码元含有 3 个 Bit 信息量， 1 波特 = 3 Bit/s

奈氏准则解决的问题好比就是在信道中传输声音，假设传输有一个人说了10分钟的话，如果传输速率超过了码元的传输速率上限值，传输完成后就有可能就听不清对方在说什么。

因为现实世界中会有各种噪音，就好比于你在一个有噪音的环境中说话，你说的越慢，对方就越有可能听清楚你说什么。

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信噪比

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。

即：$信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB) $，信噪比越大越没有噪音，越好

1984年，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（香农公式）。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为：$C = W log2(1+S/N) (bit/s) $
其中：

• 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。

香农公式表明：

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
• 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

就我对香农公式的理解而言，好比是一个 Wifi 信号的强度，如果你离 Wifi 信号越远，噪音越大，信噪比就越小，而带宽是一定的，所以 信道极限信息的传输速率也就越低。

2.3、物理层下面的传输媒体

• 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器和接收器之间的物理通路。
• 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
• 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
• 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
  

2.3.1 导引型传输媒体

双绞线

• 最常用的传输媒体。
• 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。
• 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
  • 带金属屏蔽层，防止噪音
• 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

同轴电缆

• 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
• 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
• 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
• 75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用
  

光缆

• 光纤是光纤通信的传输媒体。
• 由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

多模光纤与单模光纤

• 多模光纤
  • 可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。
• 单模光纤
  • 若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，
  • 它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。
    

光纤通信中使用的光波的波段

常用的三个波段的中心分别位于 850 nm, 1300 nm 和 1550 nm。
所有这三个波段都具有 25000~30000 GHz 的带宽，可见光纤的通信容量非常大。

2.3.2 非导引型传输媒体

• 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
• 无线传输所使用的频段很广。
• 短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
• 微波在空间主要是直线传播。
• 传统微波通信有两种方式：
  1. 地面微波接力通信
  2. 卫星通信

物理层设备——集线器（hub）

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。

2.4、信道复用技术

2.4.1、频分复用、时分复用和统计时分复用

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。
它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

使用单独的信道好比是一条高速路上只有一辆车；

使用共享信道好比是一条高速路上有很多车；

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing) ——同时不同频

• 将整个带宽分为多份，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）。

时分复用TDM (Time Division Multiplexing) ——不同时同频

• 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（其周期就是TDM帧的长度）的。
• TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。
• 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

2.4.2、波分复用

2.4.3、码分复用

• 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
• 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

码片序列(chip sequence)

• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
• 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
  1. 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
  2. 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。
  1. 发送比特 1 时，就发送序列 00011011。
  2. 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 的重要特点

• 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 (orthogonal)。
• 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

码片序列的正交关系

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) 等于 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值是 –1。

2.5、数字传输系统

• 在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用 FDM 的模拟传输方式。

• 与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。

• 目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。

• 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 有两个互不兼容的国际标准：

  1. 北美的 24 路 PCM（简称为 T1）
  2. 欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）

• 我国采用的是欧洲的 E1 标准。

• E1 的速率是 2.048 Mbit/s，而 T1 的速率是 1.544 Mbit/s。

• 当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

2.6、宽带接入技术

• 从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：
  1. 有线宽带接入
  2. 无线宽带接入

下面讨论有线的宽带接入

2.6.1、ADSL 技术

• 非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 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。
• 标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
• ADSL 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。
• DSL 就是数字用户线 (Digital Subscriber Line) 的缩写。

DSL 的几种类型

• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线
• HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
• SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线
• VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
• DSL (Digital Subscriber Line) ：数字用户线
• RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的一个子集，可自动调节线路速率）

ADSL的特点

• 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

• DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多子信道，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 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），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制解调器并行地传送数据。

2.6.2、光纤同轴混合网（HFC网）

• HFC (Hybrid Fiber Coax) 网是在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 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。
• HFC 网对 CATV 网进行了改造。
  

2.6.3、FTTx 技术

• FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。
• FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如：
  1. 光纤到户 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。
  2. 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。
  3. 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。