title: 计算机网络——物理层
date: 2019-12-19 20:02:32
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• 计算机网络
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物理层的基本概念

• 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传送<mark>数据比特流</mark>而不是指具体的传输媒体

• 主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性

  • 机械特性： 例接口形状、大小、引线数目
  • 电气特性：例规定电压范围
  • 功能特性：例规定-5V表示0,5V表示1
  • 过程特性：规程特性，规定不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信的基础知识

相关概念

• 通信的目的

  传送消息

• 数据

  运送消息的实体

• 信号

  数据的电气或电磁表现

• “模拟信号”

  代表消息的参数的取值是连续的

• “数字信号”

  代表消息的参数的取值是离散的

• 码元

  在使用时间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

  在数字通信中常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量

• 信道

  一般表示向一个方向传送信息的媒体。

  平常所说的通信线路，一般由一条发送信道和一条接收信道组成

  • 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

  • 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。

  • 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

• 基带信号

  来自信源的信号。

  原始的未处理过的信号，比如说话的声波

• 带通信号

  把基带信号经过<mark>基带调制</mark>后，信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输。

常用调制方法

• 调幅

  振幅变化

• 调频

  频率变化

• 调相

  初始相位变化

常用编码

• 单极性不归零码

  • 只使用一个电压值，用高电平表示1，低电平表示0

• 双极性不归零码

  • 用正电平和负电平表示 10

• 双极性归零编码

  • 正负零三个电平，信号本身携带同步信息

• 曼切斯特编码

  bit中间有信号低-高跳变为0

  bit中间有信号高-低跳变为1

• 差分曼切斯特编码

  bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0

  bit中间有信号跳变，bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为1

信道的极限容量

• 奈氏准则

  他给出在假定条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

  在任何信道中，码元传输的速率是有上限值的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（识别）称为不可能。

  理想的低筒信道的最高码元传输速率 = 2W Baud

  • w 带宽 ，单位HZ
  • Baud波***元传输速率的单位
  • 如果一个码元包含NBit信息量， 1Baud = NBit/s

• 信噪比

  极限、无差错的信息传输速率

  C = W log2(1+S/N)  b/s
  

  • 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

物理层下的传输媒体

导向传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播

双绞线

• 屏蔽双绞线 STP
• 无屏蔽双绞线 UTP

同轴电缆

• 50Ω 同轴电缆 数字传输 基带同轴电缆
• 75Ω 同轴电缆 模拟传输 宽带同轴电缆

光缆

• 多模光纤
• 单模光纤
  • 纤细
  • 传播特性更好，带宽10GHZ

非导向传输媒体

• 自由空间，其中电磁波传输被称为无线传输

  无线传输使用的频段很广

• 短波通信主要靠电离层的反射，短波通信的通信质量差

• 微波通信空间中沿直线传播

  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

物理层设备——集线器（hub）

• 工作特点：信号放大和重发作用，扩大网络传输范围
  • 不具备信号的定向传送能力
• 最大传输距离：100m
• 集线器是一个大的冲突域

信道复用技术

两个设备

复用器：发送端需要

分用器：接收端需要

频分复用

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

即频分复用的所有用户都在同一时间占用不同的带宽资源

时分复用(TDM)

将时间划分为一段段等长的时分复用帧。

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是周期性出现地（其周期就是TDM帧的长度对应的时间）

TDM信号又称为等时信号

时分复用的所有用户实在不同的时间占用同样的频带宽度

统计时分复用（STDM）

不按顺序放，加上标记用来区分是哪个发送者的数据

波分复用 WDM

光的频分复用技术

码分复用（CDM）

• 常用名词 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

• 规格化内积

  

  • 自己内积是为1
  • 自己与自己的反码内积是为-1

• 特点：每一个站分配的码片序列不仅必须<mark>各不相同</mark>，并且还必须互相<mark>正交</mark>

  • S·T = 0

数字传输系统（非考点）

• 脉码调制PCM体质最初为了电话局之间的中继线上传送多路电话

两个互不兼容的国际标准

• 北美和日本（1.544Mbit/s）
• 欧美（2.048Mbit/s）<mark>我国采用</mark>

宽带接入技术

非对称数字用户线ADSL

• 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使其能承载宽带数字业务

• 接收端（家里）

  

• 发送端（电信公司）

  

光纤同轴混合网HFC

• 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

FTTx技术

• 光纤到x，光纤直接铺设到某个地区，直连。