计算机网络 物理层

物理层

物理层的基本概念

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
用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure) 。其实物理层规程就是物理层协议。
接口特性

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的范围。
3. 功能特性 指明某条线上一出现的某一电平的电压的意义。
4. 过程特性 指明对丁不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

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

源系统一般包括以下两个部分：
? 源点(source) 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（包含调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器。

目的系统一般也包括以下两个部分：
? 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。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(desti nati on) 终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息息输出终点又称为目的站或信宿。

根据信号中代表消息的参数的取俏方式不同，估号可分为以下两大类：

1. 拟信号，或连续信号一代表消息的参数的取值是连续的。
2. 数字信号，或离散信号一代表消息的参数的取值是离散的

有关信道的几个基本概念

1. 单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
2. 双向交替通信 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。。
3. 双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。基带信号往往包含较多的低频分量或直流分量，而许多信道并不能传输这种分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)
调制可分为两大类。 一类是仅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。这类调制称为基带调制．由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿总把这种过程称为编码(coding)。另一类调制则需要使用载波(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。经过载波调制后的信号称为带通信号，而使用载波的调制称为带通调制。

(I) 常用编码方式

(2) 基本的带通调制方法

信道的极限容量

数字通信的优占：虽然信号号在信道上传 输时会不可避免地产生失真

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。
   在带宽为W(Hz) 的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是 2W （码元／秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码
   间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
2. 信噪比
   所谓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
   信噪比(dB) = 10 $\log_{10} (S/N) $(dB)
   香农公式指出信道的极限信息传输速率C = W ${\log }_2(1+SIN)$ (bit/s)

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

导引型传输媒体

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。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。
   无屏蔽双绞线 UTP (Unsh ielded Twisted Par)的价格较便宜。当数据的传送速率增高时，可以采用屏蔽双绞线 (Shelded Twisted Par, 简称为 STP) 。
   

常用双绞线类别

绞合线类别	带宽	线缆特点	典型应用
3	16 MHz	芯双绞线	校拟电话：传统以太网(10 Mbit/s)
5	100 MHz	与3类相比增加绞合度 传输速率 100 Mbit/ （距宽 100 m)
5E （超5类）	125 MHz	与5类相比衰减更小	1Gb（距离 100m)
6	250 MHz	改善串扰性能．可使用屏蔽双绞线	传输逑率 10 Gbit/s （距离 35~55 m)
6A	500 MHz	改善串扰性能．可使用屏蔽双绞线	传输速率 10 Gbit/s （距离 100 m)
7	600Mhz	必须使用屏蔽双绞	传输速超过 1OGbit/s, 距离 IOOm
8	2000 MHz	必须使用屏蔽双绞线	25 Gbit或40 Gbit/s, 距离 30m
无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使川更租的导线可以减小衰减，但却增加了导线的重品和价格。信号应当有足够大的振幅，以便在噪卢干扰下能够在接收端正确地被检测出来。双绞线的最高速率还与数字估号的编码方法有很大的关系。

2. 同轴电缆
   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）以及绝缘保护套层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性.
   

3. 光缆
   光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信的。有光脉冲相当于 ，而没有光脉冲相当于 。由于可见光的频率非常高，约为 $10^8$ MHz 的量级
   

光纤

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：
(I) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
(2) 抗雷电和电磁千扰性能好。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
(3) 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
(4) 体积小，重量轻。这在现有电缆节道已拥塞不堪的情况下特别有利。

非引导型传输媒体

无线电微波通信在当前的数据通信中占有特殊重要的地位
在使用微波频段的无线蜂窝通信系统中，有时基站向手机发送的信号被障碍物阻挡了，无法直接到达手机。但基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射到达手机

为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，这种通信方式称为“微波接力”。
微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点是：

1. 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。
2. 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（即甚高频）通信小得多，因而微波传输质量较高。
3. 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少见效快，易跨越山区、江河。

当然，微波接力通信也存在如下的一些缺点：

1. 相邻站之间必须直视常称为视距 LOS LOS (Line of Sight),不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
2. 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。
3. 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
4. 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

信道复用技术

最基本的复用就是频分复用 FDM (Frequence Division Multiplexing)和时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)。频分复用的概念是这样的。例如，有N路信号在一个信道中传送。可以使用调制的方法，把各路信号分别搬移到适当的频率位置，使彼此不产生干扰，时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（即 TDM 帧）。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。这两种复用方法的优点是技术比较成熟，但缺点是不够灵活。时分复用更有利于数字信号的传输。
用 STDM (Statistic TDM)是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。集中器（concentr or) 常使用这种统计时分复用。

波分复用

波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用
现在已能做到在一根光纤上复用几十路或更多路数的光载波信号。光千是就使用了密集波分复用 DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing)

码的复用

? 码分复用CDM，又称码分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）。

• 可以实现多个用户同时使用同样的频率进行通信。
• 如何实现？—— 通过各用户的码序列进行区分。

宽带接入技术

ADSL 技术

非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。
基于 ADSL 的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用DSLAM (DSL Access Multiplexer) 、用户线和用户家中的一些设施。数字用户线接入复用器包括许多 ADSL 调制解调器。 ADSL 调制解调器又称为接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)。由于 ADSL 调制解调器必须成对使用，因此把在电话端局（或远端站）和用户家中所用的 ADSL 调制解调器分别记为 ATU-C 和 ATU-R 。

光纤同轴混合网 (HFC 网）

它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向广播传输。但以后有线电视网进行了改造，变成了现在的光纤同轴混合网 (HFC 网）。
要使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号，需要把一个叫作机顶盒(set-t box)设备连接在同轴电缆和用户的电视机之间。但为了使用户能够利用 HFC 网接入到互联网，以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息，我们还需要增加一个为 HFC 网使用的调制解调器，它又称为电缆调制解调器（cable modem) 。电缆调制解调器可以做成一个单独的设备（类似于 ADSL 的调制解调器），也可以做成内置式的，安装在电视机的机顶盒里面。用户只要把自己的计算机连接到电缆调制解调器，就可方便地上网了

FTTx 技术

光纤到路边 FTTC (C 表示Curb) 、光纤到小区 FTTZ (Z 表示 Zone) 、光纤到大楼 FTTB CB 表示 Building)、光纤到楼FTTF (F 表示 Floor) 、光纤到办公室 FTTO (O 表示 office) 、光纤到桌面 FTTD (DDesk)