物理层的基本概念

  • 概念：
    • 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。
    • 完成传输方式的转换。数据在计算机内部多采用并行传输方式，在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般为串行传输（出于经济上的考虑）。
  • 作用：
    • 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段使什么。
    • 物理层的主要任务可概况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和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

  1.   - **电器特性**：

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

  1.   - **功能特性**：

指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

  1.   - **过程特性**：

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

  • 物理层规程：

    • 用于物理层的协议的另一称呼。

      数据通信的基础知识

      1. 数据通信系统的模型

  • 总概念：

    • 一个数据通信系统可划分为三大部分：
      • 源系统（或发送端、发送方）
      • 传输系统（或传输网络）
      • 目的系统（或接收端、接收方）

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（1）源系统

  • 源系统一般包括以下两个部分：
    • 源点（source）：

又称源站或信源。源点设备产生要传输的数据，例如：从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。

  • 发送器：

通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。一般计算机都内置调制解调器（包含调制器和解调器）。

（2）目的系统

  • 目的系统一般包括以下两个部分：
    • 接收器：

接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

  • 终点：

又称目的站，或信宿。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。例如：把汉字在计算机屏幕上显示出来。

（3）消息、数据以及信号

  • 消息：

通信目的所需传送的消息。如：话音、文字、图像、视频。

  • 数据：

运送消息的实体。数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。

  • 信号：

数据的电气或电磁的表现。根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

  1.   - **模拟信号**，或**连续信号**——代表消息的参数的取值是连续的。（用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号）
  2.   - **数字信号**，或**离散信号**——代表消息的参数的取值是离散的。（用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号）
  3.      - 在使用 时间域（时域）的波形 表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为**码元**：

一个码元就是一个脉冲信号，一个脉冲信号有可能携带1bit数据，也有可能携带2bit数据、4bit数据。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态。

2. 有关信道的几个基本概念

（1）信道与电路

  • 信道：
    • 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体
  • 电路：
    • 一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

（2）通信的三种基本信息交互方式

  • 单向通信：
    • 又称单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
  • 双向交替通信：
    • 又称双半工通信，即通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送/接收。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以反过来。
  • 双向同时通信：
    • 又称全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。
  • 说明：
    • 单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。双向同时通信的传输效率最高。

（3）信号与调制

  • 基带信号（基本频带信号）：
    • 来自信源的信号。如计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
    • 基带信号往往包含许多低频成分，甚至有直流成分，而许多信道无法传输这种低频分量或直流分量。故需对基带信号进行调制。
  • 调制：
    • 基带调制：
      • 即编码，对基带信号的波形进行变换（把数字信号转换为另一种形式的数字信号），使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍为基带信号。
    • 带通调制：
      • 对基带信号使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，以便在模拟信道中传输。
      • 经过载波调制后的信号称为带通信号。

（4）常用编码方式

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  • 不归零制：
    • 正电频代表1，负电频代表0。
  • 归零制：
    • 正脉冲代表1，负脉冲代表0。
  • 曼彻斯特编码： （用于传统10M以太网）
    • 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。但也可以反过来定义。
  • 差分曼彻斯特编码： （用于令牌环网）
    • 在每一位的中心处始终都有跳变。为开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1。

（5）基本的带通调制方法

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  • 调幅（AM）：
    • 即载波的振幅随基带数字信号而变化（0和1分别对应于无载波和有载波输出）。
  • 调频（FM）：
    • 即载波的频率随基带数字信号而变化（0和1分别对应于频率f1 和f2）。

  • 调相（PM）：

    • 即载波的初始相位随基带数字信号而变化（0和1分别对应于相位0度或180度）。

      为了达到更高的信息传输速率，可以采用更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，如正交振幅调制QAM。

  • 波特率：Band (B)

    • 每秒钟传送码元的数目。
    • 若信号码元宽度为T秒，则
      • B = 1 / T(Band)

  • 比特率：R

    • R = B x W

      3. 信道的极限容量

  • 信号在信道中的失真情况：（在接收端能从失真的波形中识别出原来的信号即可）。

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  • 限制码元在信道上传输速率的因素：
    • 信道能够通过的频率范围：
      • 具体的信道所能通过的频率范围有限。如果信道的频带越宽，即能通过的信号高频分量越多，则在高速率传输情况下就不会出现码间串扰（信号的高频分量在传输时受到衰减后，每一个码元所占的时间变宽，以致接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限）。
    • 信噪比：
      • 概念：噪声会对信号产生影响。信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。
      • 单位：分为无单位(S/N) 与分贝（dB）。
      • 公式：

信噪比(dB) = 10 log10(S/N)

  • 奈奎斯特定理：
    • 概念：指出理想低通信道下的最高码元传输速率C
    • 单位：b/s
    • 公式：

C = 2Wlog2M

  1.      - W：理想低通信道的带宽
  2.      - M：多相调制的相数
  • 香农公式：
    • 概念：指出在有噪音状态下信道的极限传输速率C
    • 单位：b/s
    • 公式：

C = Wlog2(1+S/N)

  1.      - W：带宽
  2.      - S/N：信噪比，没有单位，若给出的信噪比单位为db，则应换算回来
  3.   - 意义：信道的带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。即：只要**信息传输速率**低于信道的**极限传输速率**，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

物理层下面的传输媒体

  • 总概念：
    • 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
    • 传输媒体分为两大类：
      • 导引型传输媒体（导向传输媒体）
      • 非导引型传输媒体（非导向传输媒体），即使用电磁波传输：

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1. 导引型传输媒体

（1）双绞线

  • 概念：
    • 也称双扭线，是最古老但常用的传输媒体。
  • 优点：
    • 绞合可减少对相邻导向的电磁干扰。
  • 应用场景：
    • 电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机，这一段双绞线称为用户线或用户环路。
  • 优化种类：
    • 无屏蔽双绞线(UTP)：不含屏蔽层。
    • 屏蔽双绞线(STP)：在双绞线外面有一层金属丝编织成的屏蔽层。
  • 类别：

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  • 无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大。使用更粗的导线及加大信号的振幅都可以减少信号衰减带来的问题。双绞线的最高速率还与数字信号的编码有很大关系。

    （2）同轴电缆

  • 概念：
    • 有内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及塑料保护套组成。
  • 优点：
    • 具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
  • 应用场景：
    • 在局域网发展初期曾广泛使用。但随着技术的进步，局域网领域基本上被双绞线替代。
    • 目前主要用在有 有线电视网 的居民小区中。

  • 优化：

    • 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆带宽接近1GHz。

      （3）光缆

  • 概念：

    • 利用光导纤维传递光脉冲来进行通信的传输媒体。有光脉冲相当于1，没有的相当于0。
  • 优点：
    • 由于可见光的频率非常高，因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
    • 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，也不容易被窃听或截取数据。
    • 体积小，重量轻。

  • 类型：

    • 多模光纤：
      • 可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
    • 单模光纤：
      • 光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。

        2. 非导引型传输媒体

  • 略

信道复用技术

1. 复用

  • 概念：
    • 复用是通信技术中的基本概念。复用可以使多个发送端合起来共享一个信道进行通信。最后在接收端使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

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2. 频分复用-FDM(Frequency Division Multiplexing)

  • 概念：
    • 把一条信道分成若干个频带，每个用户分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用着这个频带，即：频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

  • 缺点：

    • 不够灵活。

      3. 时分复用-TDM(Time Division Multiplexing)

  • 概念：

    • 又称同步时分复用。它将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。每一个用户所占用的时隙周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。因此TDM信号也成为等时信号。即：时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
  • 优点：
    • 更有利于数字信号的传输。
  • 缺点：
    • 不够灵活。

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4. 统计时分复用-STDM(Statistic TDM)

  • 概念：
    • 又称异步时分复用。是一种改进的时分复用，可以明显提高信道的利用率。在传统时分复用系统中，当某用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户无法使用。
  • 要求：
    • 在每一个STDM帧中的时隙数要小于连接在集中器上的用户数。

集中器：

  • 常使用这种统计时分复用。一个使用统计时分复用的集中器连接若干个用户，然后将他们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。

  • 原理：
    • 各用户产生数据后会将数据发往集中器的输入缓存，然后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。
    • 对没有数据的缓存就跳过去。
    • 当一个帧的数据放满了，就发送出去。
  • 要点：
    • STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。
    • 在输出线路上，某一个用户所占用的时隙不是周期性地出现。
    • 虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小于各输入线路数据率的总和，但从平均角度来看，二者是平衡的。
    • 当所有用户都不间断地向集中器发送数据，集中器将无法应付，其内部设置的缓存将溢出。故集中器能够正常工作的前提是：假定各用户都间歇地工作。
    • 由于STDM帧中的时隙并非固定地分配给某个用户，所以在每个时隙钱还必须有控制信息（用户的地址信息），图中白色的就是。

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5. 波分复用-WDM(Wavelength Division Multiplexing)

  • 概念：
    • 波分复用就是光的频分复用。借助传统载波电话的频分复用概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。
    • 随着技术的发展，在一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多，于是这一技术从名字上演变为密集波分复用DWDM（Dense WDM）。

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1310nm：色散最小 1550nm：光衰最小

6. 码分复用-CDM(Code Division Multiplexing)

  • 概念：
    • 又称码分多址CDMA（Code Division Multiplexing Access）。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
    • 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。
  • 优点：
    • 有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被发现。
    • 在无线局域网中使用可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响。
  • 原理：
    • 在CDMA中，对每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。通常m的值为64或128。
    • 使用CDMA的每一个站都有一个唯一的m bit 码片序列。要维护它的唯一性，必须采用正交的方法来分配不同站点之间的码片序列。即它们之间码片序列的规格化内积为0：
      • 计算公式：

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  • 发送0和1时：
    • 如果发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。如：当前站点码片序列为00011011，则发送11100100.
    • 如果发送比特1，则发送该码片序列本身。如：当前站点码片序列为00011011，则发送00011011.
  • 为了方便接收端计算，需将0转换为-1、1转换为1的格式加入计算。如：当前站点码片序列为00011011，则计算时的格式为（-1-1-1+1+1-1+1+1）。
  • 多个站点发送的数据传入到信道中时，码片序列将会叠加，如两个站点都发送1：
    • 00011011 -> (-1-1-1+1+1-1+1+1)
    • +
    • 00101110 -> (-1-1+1-1+1+1+1-1)
    • =
    • （-2，-2，0，0，2，0，2，0）
  • 接收端与发送端的码片序列相同，当接收端接收到上述叠加后的码片序列后，将用自身的码片序列与上述码片序列进行规格化内积：
    • 若结果为1，则对应发送端发送的数据为1
    • 若结果为-1，则对应发送端发送的数据为0
    • 由于两个站点之间的码片序列是正交的，所以在做上述运算时，会自动把非本站点码片序列给过滤掉（正交的码片序列的规格化内积为0）

宽带接入技术

1. xDSL技术

  • 概念：
    • 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。xDSL技术把0~4kHz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。
  • DSL：
    • 数字用户线（Digital Subscriber Line）。
  • xDSL：
    • 前缀“x”表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。
    • 类型：
      • ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）：非对称用户线
      • HDSL（High speed DSL）：高速数字用户线
      • VDSL（Very high speed DSL）：甚高速数字用户线
      • SDSL（Single-line DSL）：1对线的数字用户线
  • ADSL：
    • 非对称数字用户线：把上行和下行宽带做成不对称的，即“上传”和“下载”。