《计算机网络》 第二章 物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层考虑怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

特性：①机械特性 ②电气特性 ③功能特性 ④过程特性

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

三大部分：源系统、传输系统、目的系统

消息：语音、文字、图像

数据：运送消息的实体

信号：数据的电气或电磁表现（模拟 / 数字）

码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

2.2.2 有关通信的几个基本概念

信道：某一个方向传送信息的媒体

单项通信 、 双向交替通信 、 双向同时通信

基带信号：来自信源，有较多低频甚至有直流

调制：

①基带调制：把数字信号转换成另一种数字信号，编码

②带通调制：基带信号搬移较高频段，并转为模拟信号，调制后称为带通信号，调制

1.常用编码方式

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力

2.基本的带通调制方法

正交振幅调制QAM：

2.2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送

失真严重：①码元传输速率高 ②信号传输距离远 ③噪声干扰大 ④传输媒体质量差

限制码元传输传输速率因素：①信道能够通过频率范围 ②信噪比

1.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.

码间串扰:：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。

2.信噪比

信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，以dB为度量单位

信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)

奈氏准则：码元传输最高速率 = 2W

香农公式：C = Wlog2(1+S/N )

提高信息传输速率方法：用编码方式让每一个码元携带更多比特信息量

2.3 物理层下面的传输协议

2.3.2 导引型传输媒体

1.双绞线

绞合度越高，可用的数据传输率越高

无屏蔽双绞线UTP、屏蔽双绞线STP

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

3.光缆

光纤是光纤通信的传输媒体

发送端：光源

接收端：光检测器

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，只适合于近距离传输。

单模光纤：可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，制造成本较高，但衰耗较小。

常用波段中心：850nm、1300nm、1550nm

2.3.2 非导引型传输媒体

利用无线电波在自由空间传播较快实现通信

微波频率：300Mhz~300Ghz（主要使用2~40Ghz）

在空间主要直线传播，会产生多径效应

对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率就越低

微波接力：中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站

1.卫星通信

通信容量大，距离远，通信稳定

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：允许用户使用一个共享信道通信

1.频分复用（FDM）

所有用户在同样的时间占用不同的带宽(即频带)资源

2.时分复用（TDM）

每一个时分复用的用户在每一个TDM 中占用固定序号的时隙

3. 频分多址和时分多址

频分多址（FDMA）：可让 N 个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带。

时分多址（TDMA）：可让 N 个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这N个时隙。

4.统计时分复用（STDM）：按需动态分配时隙，提高线路利用率。

2.4.2 波分复用

波分复用（WDM）：光的频分复用，用一根光纤来同时传输多个光载波信号

2.4.3 码分复用

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。

🔺CDMA工作原理：

码片：将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，为每个站指派一个唯一的m bit 码片序列。

比特1发送自己码片序列，比特01发送码片序列反码。

2.5 数字传输系统

早期：采用频分复用FDM

目前：采用时分复用PCM

光纤称为长途干线主要传输媒体

早期数字传输系统缺点：①速率标准不统一 ②部署同步传输

解决方案：

①同步光纤网（SONET）：各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，传输速率以 51.84 Mbit/s 为基础。

②同步数字系列（SDH）：SDH的基本速率为15552Mbit/s

2.6 宽带接入技术

分类：有线宽带接入、无线宽带接入

2.6.1 ADSL技术

非对称数字用户线ADSL：改造电话线，承载宽带业务。（低频电话，高频上网）

采用离散多音调DMT调制技术（FDM方法）

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

把原有线电视网中的同轴电缆主干部分该换光纤

2.6.3 FTTx技术

代表多种宽带光纤接入方式