学习计算机网络——物理层（知识点）

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开发工具与关键技术：

作者：#33

撰写时间：撰写时间：2020年05月28日

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                                                               学习计算机网络——物理层（知识点）

1、物理层的基本概念

物理层的主要任务就是确认与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置，等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。

3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

大家都知道，数据在计算机内部采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（这是处于经济上的考虑），

、物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

物理层要解决的主要问题：

（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。

（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。

（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路

2、数据通信的基础知识

  （1）数据通信系统的模型

      如图所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、方式方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

①源系统：

·源系统：源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。

·发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包括调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器。

 ②目的系统

·接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把他转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

·终点：终点设备从接收器获取并传送过来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。终点又称目的站，或信宿。

信号分为两大类：

·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，两种1或者0

（2）有关信道的几个基本概念

·单工通信：即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。

·半双工通信：即通信和双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。

·全双工通信：即通信的双方可以同时发送和接收信息。

、基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。

、调制分为两大类：

·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能够通过信道） 。

·带通信号 ：经过载波调制后的信号。

、常用的编码方式：

·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：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。

、基本的带通调制方法：

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。

·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

（3）信道的极限容量

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和信噪比。

·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

理想情况下带宽的2倍

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)

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。  

·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。

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。

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。

码元传输速率受奈氏准则的限制，信息传输速率受香农公式的限制      

3、物理层下面的传输媒体 

传输媒体 即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

(1)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。

①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

·无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

②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  同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用;75  同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

反转线：两个排头完全相反;交叉线：两个排头不同;直通线：两个排头相同

T568绿白 绿色 橙白 蓝 蓝白 橙色 棕白 棕色;T568B 橙白 橙色 绿白 蓝 蓝白 绿色 棕白 棕色

③光缆:光纤是光纤通信的传输媒体。 多模光纤 单模光纤

（2）非导引型传输媒体

微波在空间主要是直线传播。 传统微波通信有两种方式：地面微波接力通信，卫星通信  

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

4、信道复用技术

（1）频分复用、时分复用，波分复用 码分复用

①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）

②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。

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。

（2）波分复用

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

（3）码分复用

码分复用  不同规格化为0，自己规格化为1，和反码规格化内积= -1

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。按惯例将，码片中的0写为-1,1写为+1

S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)  

·扩频通信通常有两大类：

一种是直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)另一种是跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

5、数字传输系统

早期的数字传输系统主要的两个缺点：

①速率标准不统一

②不是同步传输

为了解决上述问题推出了一个数字传输标准：同步光纤网

6、宽带接入技术

(1)ADSL技术: 把0-4kHz 低频谱留给传统电话使用, 把原来没有被利用的高频谱留给用户上网使用. 早期, 用户多数都是从互联网上下载文档, 而向互联网发送的信息量一般不太大, 因此ADSL的下行带宽远远大于上行带宽.

(2)ADSL技术工作模式: 首先计算机传出数字信号, 到当前ADSL调制器, 调制器将数字信号转换为模拟信号发送到当地的ISP, ISP将报文发送至路由器经过一层层转发, 找到最终的地址后,  首先经过ADSL模拟解调器, 将模拟信号转换为数字信号再传输给目的主机. (传输介质都是同轴电缆)

(3)ADSL技术实现方案: 采用DMT技术(离散多音调技术) 采用频分复用的方法将高频谱划分为多个子信道以提供上行下行服务.

(4)FTTx技术: 就是将所有传输介质换成光纤, 实现FTTH(光纤到户).

(5)FTTx技术工作模式:  通过光配线网(ODN) 将很多个家庭用户共享一个主光纤干线. 使用光分路器将主干光纤上的信息分路到各个目的家庭地址中. 

最后

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