计算机网络学习笔记--物理层

重点

1.物理层的任务

2.几种常用的信道复用技术

3.几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL和FTTx

1.物理层的基本概念

（1）物理层的作用：

• 考虑怎样才能连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是指具体的传输媒体

• 尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异

• 确定与传输媒体的接口有关的一些特性

• 传输方式的转换。计算机内部为并行传输，通信线路上为串行传输

注意：

• 物理层要考虑用多大电压代表“1”或“0”以及接收方如何识别出发送方所发送的比特

• 物理层要确定连接电缆的插头应该有多少根引脚以及各条引脚应如何连接

• 哪几个比特代表什么意思不是物理层要管的

（2）特性：

• 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

• 电气特性

  指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围

• 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事件的出现顺序

注意：

• 传输媒体本身并不属于物理层的范围

• 规程与协议

  规程这个名词仅用于物理层，在其他层不用“规程”，而用“协议”

  在物理层，这两个词没有多大区别

 

2.数据通信的基础知识

1.数据通信系统的模型

通信系统：

• 源系统

  源点

  发送器：调制器

• 传输系统

  传输线，网络系统

• 目的系统

  接收器：解调器

  终点

注意：

• 通信目的是传送消息，如语音、文字、图像、视频等

• 数据是运送消息的实体

• 信号分为模拟信号和数字信号

• 代表不同离散数值的基本波形成为码元

• 一个码元所携带的信息量是不固定的，是由调制方式和编码方式决定的

 

2.有关信道的几个基本概念

注意：

• 信道和电路并不等同

• 信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体

• 一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

三种通信方式：

• 单向通信（单工）

  只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）

  通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送（接受）

• 双向同时通信（双工）

  通信双方可以同时发送和接收信息

注意：

• 基带信号：来自信源的信号

• 基带信号往往包含包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量

• 因此必须对基带信号进行调制

两类调制：

• 基带调制

  仅对基带信号的波形进行变换，变换后的信号仍然是基带信号

  这种过程也成为编码

• 带通调制

  需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬迁到较高的频段，并转换为模拟信号

  调制后的信号成为带通信号（仅在一段频率范围内能够通过信道）

3.信道的极限容量

码元传输的速率越高，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，在接收端的波形的失真就越严重

限制码元在信道上的传输速率的因素：

• 信道能够通过的频率范围

  很多高频分量往往不能通过信道

  码间串扰

  在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题

• 信噪比

  信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，单位dB

  信噪比= 10 log₁₀ (S/N) (dB)

  香农公式：

  • 极限传输速率C=W log₂ (1+S/N) (bit/s)

  • W为信道的带宽，S为信道内传送信号的平均功率，N为信道内高斯噪声功率

  • 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输

  注意：

  • 信噪比不可能做到任意大，信号的传输功率是受限的，并且任何电子设备的噪声不可能做到任意小

  • 对于频带宽带已确定的信道，信噪比也不能再提高，并且码元传输速率也达到了上限值

  • 可以利用编码的方法让每个码元携带更多比特的信息量

  • 在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真，等等。

  • 码元/秒 与 比特/秒

    不完全一样，在不同的编码情况下，码元与比特的对应关系不同

注意：

• 数据：运送消息的实体

• 信号：数据的电气的或电磁的表现

• 模拟数据：即连续数据，数据的变化是连续的

• 模拟信号：即连续信号，代表消息的参数的取值是连续的

• 基带信号：来自信源的信号，也就是基本频带信号

• 带通信号：经过载波调制后的信号，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输

• 数字数据：即离散数据，数据的变化是不连续的

• 数字信号：即离散信号，代表消息的参数的取值是离散的

• 码元

  码是信号元素和字符之间的事先约定好的转换

  码元实际上就是码所包含的元素

  在简单的编码中，一个码元就是一个比特，在复杂的编码中，一个码元可以包含多个比特

• 串行传输

  数据在传输时是逐个比特按照时间顺序依次传输的

• 并行传输

  数据在传输时采用了n个并行的信道，在每个信道上，数据仍然是串行传输的

 

3.物理层下面的传输媒体

传输媒体就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间

1.导引型传输媒体

• 双绞线

• 同轴电缆

• 光缆

• 架空明线（目前已很少使用）

 

2.非导引型传输媒体

• 无线传输

• 短波通信（高频通信）

• 无线电微波通信

• 卫星通信

• 红外通信

• 激光通信

 

4.信道复用技术

许多用户通过复用技术就可以共同使用一个共享信道来进行通信，虽然复用要付出一定的代价，但如果复用的信道数量较大，总的来看在经济上还是合算的

1.频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源

时分复用：所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度

注意：

• 使用频分复用，当复用的用户数增加时，复用后的信道的总宽带就跟着变宽

• 使用时分复用可能会造成线路资源的浪费

使用统计时分复用

统计复用又称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用

 

2.波分复用

波分复用WDN就是光的频分复用

密集波分复用和稀疏波分复用

 

3.码分复用

给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

发送时

• 把每个码元扩展为m个码片，m通常为64或128

• 如果要发送1，则发送它的m比特码片序列

• 如果要发送0，则发送该码片序列的反码

接受时

• 计算规格化内积

• 检测是哪个站发送了数据，是否为0

• 计算发送了什么数据，结果为1还是-1

注意：

• 码分多址CDMA

• 码分复用最初用于军事通信，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

• 由于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。

• CMDA有很强的抗干扰能力，可以提高通信的话音质量和数据的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率

注意：

• FDM：频分复用

• TDM：时分复用

• STDM：统计时分复用

• WDM：波分复用

• DWDM：密集波分复用

• CDMA：码分多址

• SONET：同步光纤网

• SDH：同步数字系列

• STM-1：第1级同步传递模块

• OC-48：光载波

 

5.宽带接入技术

宽带接入技术可分为有线宽带接入和无线宽带接入

1.ADSL技术

ADSL用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务

• 可以利用现有电话网中的用户线，不需要重新布线

• 用户可以根据自己的情况使用不同速率的宽带接入（按宽带付费）

• 对用户线的质量有较高的要求

• 如果用户住宅距离电话交换局较远，或线路的噪声较大，那么宽带接入的速率就会适当的降低

 

2.光纤同轴混合网（HFC网）

HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤

• 覆盖面广，并且带宽也很高，可以传送很高速率的数据

• 必须对现有单向传输的有线电缆进行改造，变为可双向通信的电缆

• 用户家需要增加一个机顶盒，用来观看电视和传送上行信号

• 为了解决信号传输时有衰减的问题，在有线电缆中每隔一定距离就要加入一个放大器，大量放大器的接入将使整个网络的可靠性下降

 

3.FTTx技术

• x表示不同的光纤接入地点

• 光纤可传送的数据率很高，且通信质量最好，但大量用户使用光纤接入还需要较多的建设资金

• 光配线网ODN

• 无源光网络PON

  • EPON（以太网无源光网络）

    与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便

  • GPON（吉比特无源光网络）

    采用通用封装方法GEM，可承载多业务，对各种业务类型都能够提供服务质量保证，是很有潜力的带宽光纤接入技术