《计算机网络 (第 7 版)- 谢希仁》第二章 物理层

1.物理层的基本概念

物理层的功能：怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异

规程：用于物理层的协议

传输媒体接口的特性：

    (1)机械特性：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

    (2)电气特性：接口电路的各条线上出现的电压范围

    (3)功能特性：某条线上出现某一电平电压的意义

    (4)过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.数据通信的基础知识

2.1 数据通信系统模型：

数据通信系统划分：源系统、传输系统、目的系统

源系统的内容：

    源点：源点设备产生要传输的数据

    发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中传输；如调制器

    接收器：结束传输系统发送来的信号，并转换成能被目的设备处理的信息；如解调器

    终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出

常用术语：

    消息：通信的目的是传送消息，如语音、文字、图像、视频等

    数据：是运送消息的实体；使用特点方式表示的信息，通常是有意义的符号序列

    信号：数据的电气或电磁表现

        模拟信号(连续信号)：代表消息的参数取值是连续的

        数字信号(离散信号)：代表消息的参数的取值是离散的

         码元：代表不同离散数值的基本波形

2.2 有关信道的基本概念

信道：表示向某一个方向传送信息的媒体

👍 信息交互的方式：

    (1)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；只需要一条信道

    (2)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，而是一方发送另一方接收，一段时间后可以反过来；两条信道

    (3)双向同时通信(全双工通信)：通信双方可以同时发送和接收信息；两条信道；传输效率最高

基带信号：来自信源的信号；如计算机输出的代表文字或图像的数据信号都是基带信号

调制分类：

    基带调制(编码)：仅对基带信号的波形进行变换，使其能与信道特性相适应，变换后的信号仍是基带信号

    带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围移到较高频段，并转换为模拟信号，变换后的信号称为带通信号

常用编码方式：

    (1)不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0

    (2)归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0

    (3)曼切斯特编码：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；也可反过来定义

    (4)差分曼切斯特编码：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，位开始边界没有跳变代表 1

基本的带通调制方法：

    (1)调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化；如 0 或 1 分别对应无载波或有载波输出

    (2)调频：载波的频率随基带数字信号而变化；如 0 或 1 分别对应频率 f1 或 f2

    (3)调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化；如 0 或 1 分别对应于相位 0 度或 180 度

2.3 信道的极限容量

限制码元在信道上传输速率的因素：

    (1)信道能够通过的频率范围：

        码间串扰：信号中高频分类受到衰减，在接收端收到的波形前沿和后沿不那么陡峭，每个码元所占时间界限不明确，失去了码元间的清晰界限的现象

        奈氏准则：在任何信道，码元传输的速率是有上限的，超过上限就会出现严重的码间串扰，使接收端对码元无法识别

    (2)信噪比：

        定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记作 S/N

        香农公式：信道的极限信息传输速率 C 是

                            其中 W 为信道带宽，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，信息的极限传输速率就越高

            香农公式的意义：只要信息传输速率低于信道的极限速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输

3.物理层下面的传输媒体

传输媒体：是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

传输媒体的分类：

    引导型：电磁波被引导沿着固体媒体传播

        双绞线、同轴电缆、光纤

    非引导型：电磁波无线传输

4.信道复用技术

👍 4.1 频分复用、时分复用、统计时分复用

复用：允许用户使用一个共享的信道进行通信，降低成本，提高利用率

频分复用：

    原理：用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

    特点：所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽

时分复用：

    原理：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM 帧)，每个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙

    特点：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

统计时分复用：

    原理：使用 STDM 帧来传送复用的数据，每一个 STDM 帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数；各用户有数据就发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入 STDM 帧中，没有数据的缓存就跳过，当一个帧放满即发送，因此 STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙

              某用户占用的时隙不是周期性出现的，因此统计时分复用又称为异步时分复用；而时分复用又称为同步时分复用

4.2 波分复用

波分复用：

    原理：就是光的频分复用，使用同一根光纤同时传输多个光载波信号

4.3 码分复用

码分复用(码分多址)：

    原理：各个用户使用进过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会互相干扰

    码片：每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片

    工作方式：

        每个站被指派一个唯一的 mbit 码片，若发送 1，则发送自己的 m bit 码片

                                                               若发送 0，则发送该码片的二进制反码

    码片实现扩频：由于一个比特可转换成 m 个比特的码片，因此实际发送数据率提高了 m 倍

    重要特点：每个站的码片必须各不相同，并相互正交

    码片正交关系：不同码片正交，就是向量 S 和 T 的规格化内积为 0，（规格化内积即对应为相乘）

        正交关系的重要特征：任何码片与自己的规格化内积为 1，与自己反码的规格化内积为-1

5.数字传输系统

早期数字传输系统的缺点：

    (1)速率标准不一

    (2)不是同步传输

现代的传输网络的传输媒体：光纤

同步光纤网(SONET)：各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构

同步数字系列(SDH)：由 sonet 为基础发展的国际标准

6.带宽接入技术
 

ADSL 技术：非对称数字用户线，将原有的模拟电话线进行改造，使其能够承载宽带业务，将 0-4k 的低端频谱留给电话使用，将剩余部分给宽带使用，其中上行带宽小于下行带宽

    传输距离：与数据率和用户线的线径(粗细)有关

    传输速度：与实际用户线的信噪比密切相关

    数据率：采用自适应调制技术使用户线能够传输尽可能多的数据，受环境和线路条件影响较大

    特点：上行和下行带宽不对称、需要在用户线两端各安装一个调制解调器

    第二代 ADSL：得到更高的数据率，采用无缝速率自适应技术，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应的调整数据率

光纤同轴混合网(HFC)：是目前覆盖面较广的有线电视网，采用模拟技术，频分复用，主干部分使用光纤，入户部分使用同轴电缆

FTTx 技术：是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式

    无源光网络 PON：为有效利用光纤资源，在光纤干线和用户之间使用无源光网络 PON。无源光网络无须配备电源，长期运行和管理成本低。

        最流行的无源光网络是以太网无源光网络 EPON 和吉比特无源光网络 GPON