计网笔记2-物理层

第二章 物理层

参考学习自<<计算机网络第七版>>作者:谢希仁,仅为知识点总结

转载标明出处：作者AMzz 博客： https://www.cnblogs.com/AMzz/

2.1基本概念

物理层考虑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体

物理层作用：尽可能屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异

主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性

• 机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸，引线数目，排列等
• 电气特性：接口电缆各条线上电压的范围
• 功能特性：某条线上出现的某一电平的意义
• 过程特性：对于不同功能的各种可能事件出现的顺序

常用术语

• 数据：运送消息的实体
• 信号：数据的电气或电磁表现
• 模拟信号：代表消息参数取值连续
• 数字信号：代码消息参数取值离散
• 码元：代表不同离散数值的基本波形
• 信道：一般表示单方向传送信息的媒体
• 单向通信(单工通信)
• 双向交替通信(半双工通信)：双方都能发信息，但不能同时发送/接收
• 双向同时通信(全双工通信)
• 基带信号/基本频带信号：来自信源的信号，许多信道不能传输这种低频分量/直流分量，需对基带信号进行调制

调制分类

• 基带调制：仅变换波形，变换后的信号仍然是基带信号，这个过程称为编码
• 带通调制：使用载波进行调制，使频率范围搬移到较高频段，并转换为模拟信号
• 带通信号：经过载波调制后的信号

1.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。但也可反过来定义。

• 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，而位开始边界没有跳变代表 1。

  

从自同步能力来看，不归零制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。

2.基本的带通调制方法

最基本的二元制调制方法有以下几种：

• 调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化
• 调频：载波的频率随基带数字信号而变化
• 调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化

2.2信道的极限容量

限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个

奈氏准则：理想状态下的最高码元传输速率为2w Baud，即2w码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率为1w Baud.

奈氏准则在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，给出了码元的传输速率的上限值

奈氏公式：C = B * log2 N ( bps )，最高码元传输速率B

例题：假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒.如果采用振幅调制,把码元的振幅划分为16个不同等级来传送,那么可以获得多高的数据率？

分成16个等级，则用二进制表示16个不同的数需要4位，0000 到1111

log2(16)=4，表示一个码元4bit；C=4*20000bit/s=80000bit/s

• 信道能够通过的频率范围

  • 任何信道中，码元传输速率是有上限的，否则会出现码间串扰

• 信噪比

  • 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 log_{10} frac{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 (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）
• 香农公式在数据通信中的意义是：只要信息传输速率低于信道极限传输信息速率，则可实现无差错传输
• 信道的极限信息传输速率 C 可表达为：

[C = W log_2(1+frac{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。

码头传输速率受奈式准则限制，信息传输速率受香农公式限制

2.3物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也称传输介质/媒介，就是数据传输系统中在发射器和接收器之间的物理通路
• 传输媒体分为两大类
  • 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体传播
  • 非导引型媒体/自由空间：电磁波无线传输

导引型传输媒体

• 双绞线
  • 最常用的传输媒体，用于模拟传输和数字传输
    • 屏蔽双绞线STP
    • 无屏蔽双绞线UTP
    • 标准EIA/TIA-568-A：规定了5个种类的UTP标准，从1类线到5类线(目前最常用是5类线)
• 同轴电缆
  • 具有很好的抗干扰特性，用于传输较高速率的数据
    • 50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
    • 75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用
• 光缆
  • 光纤是光纤通信的传输媒介
    • 多模光纤
    • 单模光纤

非引导型传输媒体

• 短波通信/高频通信
• 微波在空间主要是直线传播
  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

2.4信道复用技术

频分复用FDM

• 将整个带宽分为多份，用户分配到一定的频带
• 所有用户在同样时间占用不同的带宽资源

时分复用TDM

• 将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每个时分复用的用户在每个TDM帧占用固定序号的时隙
• 所有用户在不同时间占用同样的频带宽度
• 时隙周期性出现，TDM信号又称等时信号
• 时分复用可能造成线路资源的浪费

统计时分复用STDM

波分复用WDM

码分复用CDM

• 常用名词为码分多址CDMA
• 各用户使用的码型特殊，不会彼此干扰，本身信号抗干扰能力强，不易被敌人发现

码片序列

• 每个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片
• 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。
  • S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

码片序列实现了扩频

• 假定S站要发送信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成 m 个比特的码片，因此 S 站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s，同时 S 站所占用的频带宽度也提高到原来数值的 m 倍。
• 这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。
• 扩频通信通常有两大类：
  • 直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)，如上面讲的使用码片序列就是这一类。
  • 跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

CDMA重要特点

• 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)。
• 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

码片序列的正交关系

• 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
  两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积 (inner product) 等于 0：

• 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1 。
• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

2.5数字传输系统

• 与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。
• 旧的数字传输系统存在许多缺点
  • 速率标准不统一
    • 基于光纤高速数据传输就很难实现
  • 不是同步传输
    • 当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

同步光纤网SONET与同步数字系列SDH

• 主要不同点：SDH基本速率为STM-1，相当于SONET体系中OC-3速率，1：3
• SONET / SDH 标准第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。

2.6宽带接入技术

ADSL技术

• 非对称数字用户线ADSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
• ADSL 技术就把 0~4 kHz 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上网使用。
• 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）。
• 上行和下行带宽做成不对称的
  • 上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户
• 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 （频分复用）
• 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 不能保证固定的数据率
• 第二代ADSL采用了无缝速率自适应技术 SRA，通过提高调制效率得到了更高的数据率。

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宽带接入网。
• HFC 网对 CATV 网进行了改造，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。
• 电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。

每个家庭要安装一个用户接口盒

• 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)，然后再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。