计算机网络 2 物理层

2.1 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有关的一些特性:

  • 机械特性:指明接口所用接线器的形状与尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
  • 电气特性:指明在接口线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

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可分为三部分,即源系统(发送端、发送方)传输系统(传输网络)目的系统(接收端、接收方)

  • 源点(source)
  • 发送器
  • 接收器
  • 终点(destination)

通信的目的是传输消息,数据是运输消息的实体

  • 模拟信号
  • 数值信号,码元(0,1)

2.2.2 有关于信道的几个基本概念

  1. 单向通信
  2. 双向交替通信
  3. 双向同时通信

调制

来自信源的信号称为基带信号,其不能在信道上进行传输,需要进行调制(modulation)

调制可以分为两类基带调制(编码,coding)带通调制(使用载波)

(1)常用编码方式
  • 不归零制
  • 归零制
  • 曼彻斯特编码
  • 差分曼彻斯特编码
(2)基本的带通调制方法
  • 调幅(AM)
  • 调频(FM)
  • 调相(PM)

为了达到更高的信息传输速率,必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如,正交振幅调制 QAM(Quadrature Amplitude Modulation)

2.2.3 信道的极限容量

(1) 信道能够通过的频率范围

奈氏准则:在带宽为 W (Hz) 的低通信道中,若不考虑噪声影响,则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰的问题,使接收端对码元的判决成为不可能。

(2) 信噪比

$$
信噪比(dB) = 10\log_{10}(S
/N)(dB)
$$

S 为 信号的平均功率,N 为 噪声的平均功率

在 1948 年,信息论的创始人香农推导出了著名的香农公式。香农公式指出:**信道的极限信息传输速率 C **为
$$
C = W:\log_2(1+S/N)\quad(bit/s)
$$
式中,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。

2.3 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。传输媒体可分为两大类,即导引型传输媒体非导引型传输媒体

2.3.1 导引型传输媒体

1. 双绞线

把两根相互绝缘的铜导线并排放一起,然后用规则的方式**绞合(twist)**起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。

无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair),价格便宜;屏蔽双绞线 STP(Shieled Twisted Pair),用于传输速率高时。

2. 同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、屏蔽层以及绝缘保护套层组成

3. 光缆

  • 通信容量大
  • 传输损耗小、中继距离长,对远距离传输特别经济
  • 抗雷电和电磁干扰性能好
  • 无串音干扰,保密性好
  • 体积小,重量轻

2.3.2 非导引型传输媒体

自由空间即为非导引型传输媒体

1)对于给定的调制方式和数据率,信噪比越大,误码率越低

2)对于同样的信噪比,具有更高数据率的调制技术的误码率也更高

3)如果移动用户在进行通信时还在不断改变自己的地理位置,就会引起无线信道特性的改变,因而信噪比和误码率都会发生变化

微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。其主要特点:

  • 微波波段频率高,其频段范围也很宽,因此其通信信道的容量很大
  • 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低很多,对微波通信的危害比对短波和米波通信小得多
  • 与相同容量和长度的电缆载波通信比较,微波接力通信建设投资少,见效快,易于跨越山区、江河

也有一些缺点:

  • 相邻站之间必须直视(视距 LOS(Line of Sight))
  • 有时一个天线发出的信号可能会被分成几个略有差异的路径到达接收天线,易造成失真
  • 微波传输易受恶劣天气影响
  • 隐蔽性保密性较差
  • 对于大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力与物力

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

2.4.2 波分复用

光的频分复用

2.4.3 码分复用

Code Division Multiple Access

CDMA 系统的一个重要特点就是这种体制给每一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)

2.5 数字传输技术

2.6 宽带接入技术

2.6.1 ADSL技术

非对称数字用户线 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造,使它能够承载带宽数字业务。

2.6.2 光纤同轴混合网(HFC网)

光纤同轴混合网(HFC,Hybrid Fiber Coax),用户端使用同轴电缆

2.6.3 FTTx技术

Fiber To The ...

FTTH,Fiber To The Home FTTC(Curb) FTTZ(Zone) FTTB(Building) FTTF(Floor) FTTO(Office) FTTD(Desk)

光配线网 ODN(Optical Distribution Network) 无源光网 PON(Passive Optical Network)

光线路终端 OLT(Optical Line Terminal) 光分路由器(splitter) 光网络单元 ONU(Optical Network Unit)

补充

直连线和交叉线,相同接口用交叉线,不同接口用直连线,MDI,MDIX,

双方都是 AutoMDI 时,可以用直连线

Q.E.D.


To baldly -_- go no man has gone before