计算机网络原理之物理层

本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介。

一、物理层的主要任务

确定与传输媒体的接口的一些特性。

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。4v-6v表示二进制的“0”，用-4v~-6v表示二进制的“1”
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能可能事件的出现顺序。

二、数据通信系统的模型

源系统一般包括两个部分

• 源点(source)：源点设备产生要传输的数据。
• 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码才能够在传输系统中进行传输。如：调制器

目的系统一般包含两个部分

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。
• 终点(destination)：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。

通信的目的是传动消息(message),如话音、文字、图像、视频等都是消息。

数据是运送消息的实体。

通信信号

• 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。

通信交互方式

信道一般都是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）：即只能一个方向的通信而没有反方向的交互。如：无线电广播、有线电广播以及电视广播
• 双向交替通信（半双工通信）：即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接受）。
• 双向同时通信（全双工通信）：即通信双方可以同时发送和接收消息。

三、曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码

来自信源的信号常称为基带信号。

基带信号中往往包含有好多低频成分，甚至有直流成分，而许多信道不能传输这种低频分量或直流分量，所以需要调制（modulation）。

• 基带调制：编码（coding）：把数字信号转换为另一中形式的数字信号。
• 带通调制：载波（carrier）：把频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。

3.1基带调制

基带调制：变换后的信号仍然是基带信号，调制的过程称为编码。近距离

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：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。也可以返回来定义。
• 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（Manchester）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，不归零不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

3.2带通调制

带通调制：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，调制的过程称之为载波。远距离

基本的调制方式：

• 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。

四、信噪比与香农公式

4.1信噪比

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重干扰。

码元传输的速率较高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，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。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：

• 信道能够通过的频率范围

  • 如果信道的频带越宽，也就是能过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：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，用分贝（dB)作为度量单位。

  • 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。但是如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

  • 公式：

    • 信噪比(dB) = 10 log10(S/N)(dB)

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

4.2香农公式

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）。

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。
• 若信息带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能这样的），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比香农的极限传输速率低不少。

对于频带带宽已确定的信道，如果信噪比不能提高了，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。

• 用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

五、常见的传输介质

传输介质也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中的发送器和接收器之间的物理通路。

• 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿这固体媒体（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（无线传输）

5.1导引型传输媒体

5.1.1双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合（twist）起来就构成了双绞线。

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道十几公里。距离太长时就要加上放大器（以便将衰减的信号放大到合适的数值（对于模拟传输）），或者加上中继器（以便对失真了的数字信号进行整形（对于数字传输））。导线越粗，其传输距离越远。

为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面在加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线（STP,Shielded Twisted Pair),它当然比无屏蔽双绞线（UTP,Unshielded Twisted Pair)贵一些。

5.1.2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。

同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层组成。

• 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
• 50欧姆 同轴电缆 – LAN / 数字传输常用
• 75欧姆 同轴电缆 – 有线电视 / 模拟传输常用

5.1.3光缆

光纤是光缆通信的传输媒体，由于可见光的频率非常高，约为108MHz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。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。

• 纤芯很细，其直径只有8~100um(1um=10^-6m)
• 包层较纤芯有较低的折射率。

光纤的优点：

• 通信容量非常大
• 传输损耗小，中继距离长
• 抗雷电和电磁干扰性能好
• 无串音干扰，保密性好
• 体积小，重量轻

光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于850nm，1300nm和1550nm。

5.2非导引型传输媒体

5.2.1短波通信（即高频通信）

主要靠电离层的反射。但电离层反射不稳定所以产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应（同一个信号经过不同的**反射路径**到达同一个接收点，但个反射路径的衰减和时延都不相同，使得最后得到的合成信号失真很大），使得短波信道的通信质量较差。

5.2.2无线电微波通信

微波在空间主要是直线传播。

5.2.2.1地面微波接力通信

微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。

主要特点为：

• 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
• 工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，所以对微波的危害比短波和米波通信小得多，因而微波传输质量较高。
• 微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区，江河。

缺点：

• 相邻战之间必须直视
• 传播受恶劣气候影响
• 隐蔽性和保密性较差
• 大量中继站的使用和维护要耗费大量的人力和物力

5.2.2.2卫星通信

优点：通信距离远，且通信费用与通信距离无关。

缺点：但是又较大的传播时延，且保密性相对较差。

六、频分复用技术与时分复用技术

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。

6.1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。

频分复用的所用用户在同样的时间占用不同的带宽资源（指频率带宽而不是数据发送速率）。

6.2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）。

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。

时分复用的不足：用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

6.3其他复用方式

• 统计时分复用（STDM Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显的提高信道的利用率。集中器（concentrator）常使用这种统计分时复用。

• 波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用。光纤技术的应用使得数据的传输速率空前提高。

• 码分复用CDM（Code Division Multiplexing）是另一种共享信道的方法。各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

七、宽带接入技术

• ADSL技术
• 光纤同轴混合网（HFC网）
• FTTx技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：

• 有线宽带接入
• 无线宽带接入

7.1ADSL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进行改造，使它能够承载宽带业务。

ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。

ADSL技术就把0~4KHz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线上网使用

ADSL所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。

ADSL的特点：

• 上行和下行带宽做成不对称的
• 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，DMT调制技术采用频分复用的方法。
• ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率ADSL的组成

7.2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带宽接入网。

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线传输。

用户接口盒UIB(User Interface Box)要提供三种连接，即：

• 使用同轴电缆连接到机顶盒（set-top-box），然后在连接到用户的电视机。
• 使用双绞线连接到用户的电话机。
• 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器，最大的特点就是传输效率高。

7.3FTTx技术

FTTx表示Fiber To The…（光纤到…），例如：

• 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。
• 光纤到大楼FTTB（Fiber To The Bulilding）：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。
• 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。
• 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。

电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器，最大的特点就是传输效率高。

注意为了有效的利用光纤资源，在光纤干线和广大用户之间，还需要铺设一段中间的转换装置即光配线网ODN（Optical Distribution Network），使得数十个家庭用户能够共享一根光纤干线。

最后

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