计算机网络(二)---物理层讲述

2物理层

2.1物理层基本概念

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，而不是指具体的数据媒体。

大家知道，现在计算机网络的硬件设备和传输设备种类繁多。物理层作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段地差异，这样就可能使数据链路层只需要考虑如何完成本层地协议和服务。

用于物理层地协议，也常称为物理层地规程（Procedure）

主要任务：

确定与传输媒体地接口地一些特性。

• 机械特性：指名接口所用接线器地形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
• 电气特性：指名在接口电缆的各条线上出现的电压地范围
• 功能特性：指名某条线上出现的某一电平地电压表示何种意义
• 过程特性：指名对于不同功能地各种可能事件地出现顺序。

2.2数据通信的基本知识

数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：

• 源系统（或发送端、发送方）
• 传输系统（或传输网络）
• 目的系统（或接收端、接收方）

常用用语：

• 数据（data）：运送消息地实体

• 消息（signal）：数据的电气地或电磁的表现

• 模拟信号（analog signal）：代表消息的参数的取值使连续的

• 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。

有关信道的几个基本概念

• 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体

• **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

• 双向交替通信（半双工通信）：通信双方都可以发送消息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）

• 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收消息。

• 基带信号（即基本频带信号）：来自信源的信号。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**（不可人为识别）**

  基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制（modulation）

调制分类

• 基带调制：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。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码（coding）
• 带通调制：使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内通过信道）

信号的分类：

• 带通信号：经过载波调制后的信号。
• 基带信号：就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输
• 宽带信号：则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号。

常用编码方式

• **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
• 曼彻斯特编码：为周期中心向上跳变代表0，为周期中心的向下跳变代表1.但也可以反过来定义
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1.

从信号波形中可以看出，曼彻斯特（Mabchester）编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。

从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力）。而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力

基本的带通调制方法

• 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制 (modulation)。

• 最基本的二元制调制方法有以下几种：

  • 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。

正交振幅调制QAM：

信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

数字信号通过实际的信道：

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

• 信道能够通过的频率范围

• 信噪比

信道能够通过的频率范围

• 具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
• 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。

信噪比

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。

• 噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。

• 但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

• 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：

例如，当 S/N = 10 时，信噪比为 10 dB，而当 S/N = 1000时，信噪比为 30 dB。

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。

请注意：

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

2.4信号复用技术

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。

频分复用FDM

• 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

• 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）。

• TDM 信号也称为等时(isochronous)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。

存在问题：可能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

波分复用WDM

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

码分复用（最重要）

• 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，现在已经广泛的应用在移动通讯中。

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)。
• 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)

码片序列实现扩频

• 假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成 m 个比特的码片，因此 S 站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s，同时 S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m 倍。

• 这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。

扩频通信通常有两大类：

• 一种是直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。

• 另一种是跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

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)，也就是垂直

• 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

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。

最后

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