计算机网络笔记-韩立刚-第二章-物理层

物理层

14. 基本概念

物理层解决如何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体。

物理层的主要任务描述为:确定与传输媒体的接口的一些特性，即:

• 机械特性:例接口形状，大小，引线数目
• 电气特性:例规定电压范围(-5V到+5V)
• 功能特性:例规定-5V表示0，+5V表示1
• 过程特性:也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

15. 数据通信的基本知识

• 数据：运送消息的实体
• 通信的目的是传送消息
• 信号：试剂库的电气或电磁的表现
• 数字信号与模拟信号
• 码元（code）：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元。
  在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量

信道

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

• 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)。
• 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信息。
  很少有单工通信

基带(baseband)信号和带通(band pass)信号

• 基带信号(即基本频带信号)——来白信源的信号。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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
• 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道)。
  

由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

几种最基本的调制方法

• 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。
    
    调相：正弦代表0，余弦代表1

常用编码

• 单极性不归零码
  只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0.
• 双极性不归零码
  用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。
• 双极性归零码
  正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

• 曼彻斯特编码

• 差分曼彻斯特编码
  
  

16. 奈氏准则和香农公式

奈氏准则

1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。提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。

理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud

• W是理想低通信道的带宽，单位为HZ。
• Baud是波特，是码元传输速率的单位
• 波特与Bit的区别
  波特在调制解调器中经常用到波特这个概念Bit是信息量
  如果一个码元含有3个Bit信息量1波特-3Bit/s

香农公式

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。
信道的极限信息传输速率C可表达为

• 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。

17. 物理层中的物理媒体

…

物理层中的设备

集线器

• 只起到信号放大和重发的作用，为了扩大网络传输范围
• 不具备定向传输功能
• 基本已被交换机替代
• 最大传输距离100m
• 集线器是一个冲突域 ，半双工，不安全

18. 回顾

19.信道复用技术-频分复用FDM

复用是通信技术中的基本概念

频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)

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)。

应用：电话线

20. 信道复用技术-时分复用TDM

时分复用(Time Division Multiplexing)

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帧的长度对应的时间)。
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。

TMD的缺点：资源浪费

统计时分复用STDM

波分复用

可理解为频分复用

21. 码分复用CDM

码分复用CDM(Code Division Multiplex

• 常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。
• 手机通信就是码分机制
  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。
  每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。
  

码片的特性

CDMA举例

计算规格化内积
A·R = 1
B·R = -1
C·R = 0，C无信号

码分复用缺点：由于码片存在，表示1比特的码片数较高

22.数字传输系统

电话通信局用到的：
脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路通话。
由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24路PCM〈简称为T1）和欧洲的30路PCM〈简称为E1)。我国采用的是欧洲的E1标准。
E1的速率是2.048 Mb/s，而T1的速率是1.544 Mb/s.当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

23.带宽接入技术

ADSL

光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

HFC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宽带接入网。
HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
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向传输。而HFC网则需要对CATV 网进行改造

• HFC 的主要特点
  (1)HFC网的主干线路采用光纤
  HFC网将原CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
  在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点ODN(Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
  

FTTx技术

FTTx（光纤到……)也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可代表不同意思。

• 光纤到家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(155Mb/s)。
• 光纤到大楼FTTB (Fiber To The Building):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):从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体(155Mb/s) 。

本章小结

作业 4，6，10，13，16