计算机网络笔记 - 物理层

物理层的基本概念

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：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

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表示何种意义。

过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

典型的数据通信系统的模型

奈氏准则

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。

理想低通信道的最高码元传输速率 = 二倍的带宽

香农公式

香农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
• S 为信道內所传信号的平均功率
• N 为信道内部的高斯噪声功率
• S/N 就是信噪比

物理层下面的传输媒体

引导型传输媒体

双绞线

• 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair) 提高抗电磁干扰的能力

• 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

• 双绞线一般使用 RJ45 接头和接口。

同轴电缆

l 50 W 同轴电缆

l 75 W 同轴电缆

光纤

l 单模光纤：不会在传输中发生反射，光线会一直向前传播。传输距离远，造价高。

l 多模光纤：光在芯内多次反射前进，传输距离近。

非引导型传输媒体

l 无线传输所使用的频段很广。

l 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

l 微波在空间主要是直线传播。

信道的几个基本概念

l 单向通信：即只能一个方向通信，没有反方向的交互，比如广播

l 半双工通信：双方都可以发送信息，但是不能同时发送，也不能同时接受。只能一方发送，一方接收。

l 全双工通信：通信双方可以同时发也可以同时收。

l 基带信号：信源信号通常称为基带信号

l 基带调制：把数字信号转化为另一种数字信号（编码），调制后仍然是基带信号。

l 带通调制：需要载波进行调制，调制后的信号称为带通信号。

带通调制

由于计算机输出的代表图片或文字等的基带信号大部分都是低频信号，不能够在信道中传输，所以要把基带信号经过载波调制后将其变为高频信号，以便在信道中传输。最基本的三种调制方法如下：

l 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。

l 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。

l 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

信道复用技术

频分复用

时分复用

统计时分复用

波分复用

码分复用（CDM）

常用的名词是码分多址 CDMA

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)。

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 –1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1。

发送比特 1 时，就发送码片序列 –1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1，

发送比特 0 时，就发送反码片序列 +1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1。

必要条件：S 与 T 的码片序列正交（格式化内积）必须等于零（规定）

宽带接入技术

ADSL 技术

非对称用户数字线路，上行和下行带宽不对称，把传统电话线分成了电话、上行、下行相对独立的信道。上行信道带宽远小于下行信道带宽。

l 数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)

l 接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)

l ATU-C（C 代表端局 Central Office）

l ATU-R（R 代表远端 Remote）

l 电话分离器 PS (POTS Splitter)

光纤同轴混合网 HFC

1. 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

2. 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。剩余部分采用同轴电缆相连。

3. HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能。

FTTx 技术

不借助传统线路，实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。

l 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。

l 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。

l 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

时延

l 发送时延：发送时延= 数据帧长度（bit）/ 发送速率（bit/s）

l 传播时延：传播时延 = 信道长度（m）/ 电磁波在信道上传播速率（m/s）

l 总时延：总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 处理时延 + 排队时延

注：发送速率为 1Mbit/s 这里的 M 是 10 的 6 次方，一个长度为 10MB 的数据块，这里 M 是 2 的 10 次方。

声明：

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