【计算机网络】第二章物理层

1，物理层的基本概念

2，数据通信的基础知识

2.1 数据通信系统的模型

2.2 有关信道的几个基本概念

2.3 信道的极限容量

3，物理层下面的传输媒体

3.1 导引型传输媒体

4，信道复用技术

4.1，频分复用、时分复用和统计时分复用

4.2，波分复用

4.3，码分复用

5，数字传输系统

6，宽带接入技术

6.1，ADSL技术

6.2 FTTx技术

1，物理层的基本概念

物理层考虑的是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，而不是具体的传输媒体。用于物理层的协议也常称为物理层的规程。可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的特性，即：

1）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。

2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

4）过程特性：指明对于不同的功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部多采用并行传输方式，但数据在通信线路（传输媒体）上的运输方式一般都是串行运输。

2，数据通信的基础知识

2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统分为三大部分，即源系统（发送端，发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收方、接受方）。

源系统一般分为源点和发送器两部分，原点设备产生要传输的数据，源点又称信源。通常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进行传输。调制器就是典型的发送器。

目的系统一般也分为接收器和终点两部分。接收器用于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。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：通信的目的就是传送消息。话音，文字，图像，视频等都是消息。

数据：数据是运送消息的实体，是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用于计算机或其他机器（或人）处理或产生。

信号：数据的电气或电磁的表现

根据消息中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

2）数字信号（或离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的

2.2 有关信道的几个基本概念

信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

从通信的双方信息交互方式来看，可以有以下三种基本方式：

1）单向通信（单工通信）：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或者有线电广播以及电视广播就属于这种类型。

2）双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但是不能双方同时发送（同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间之后再反过来。

3）双向同时通信（全双工通信）：即通信的双方可以同时发送和接收信息。

来自信源的信号常称为基带信号（基本频带信号），基带信号往往包含有较多低频成分，甚至有直流成分，而很多信道不能传输这种低频分量或直流分量，为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。

调制可分两类：

1）仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍是基带信号。这类调制称为基带调制，由于这种基带调制数字信号转换成另外一种形式的数字信号。因此这个过程又称编码。

2）需要使用载波进行调制，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。这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），这类调制称为带通调制。

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）曼彻斯特编码：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，也可以反过来定义

4）差分曼彻斯特编码：在每一位中心处始终有跳变，位开始边界有跳变代表0，而，位开始边界无跳变代表1

常用的带通调制方式：

1）调幅（AM）：即载波的振幅随基带数字信号而变化

2）调频（FM）：即载波的频率随基带数字信号而变化

3）调相（PM）：即载波的初始相位随基带数字信号而变化

2.3 信道的极限容量

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

1）信道能够通过的频率范围：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，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（即识别）成为不可能。

2）信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N。以分贝为度量单位。

香农公式指出信道的极限信息传输速率C是：C=W $log_{2}$ （1+S/N）。

其中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。

香农公示表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限运输速率就越高

3，物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理道路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非引导型传输媒体就是指自由空间，在非引导型传输媒体中的电磁波传输常称为无线传输。

3.1 导引型传输媒体

1）双绞线
双绞线也称双纽线，是由两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来构成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是电话系统。为了提高双绞线的抗电磁干扰能力，可以在双绞线的外面加一层金属丝编织而成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线STP。

2）同轴电缆

由内导体铜制芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层（也可以是单股）以及保护塑料外层所组成。具有很好的抗干扰性，被广泛用于传输较高速率的数据。

3）光缆

光纤就是光纤通信的传输媒体，在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，他们在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。在接收端利用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原光脉冲。

光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。

多模光纤：多条角度不同的入射光线在一条光纤中传输。只适用于近距离传输。

单模光纤：光纤的直径减少到只有一个光的波长，光线就一直向前传播不会产生多次反射。

光纤除了通信容量非常大以外还具有其他的优点：

1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

2）抗雷电和电磁干扰性能好。

3）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据

4）体积小，重量轻。

4，信道复用技术

4.1，频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用和时分复用是最基本的复用。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），时分复用的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STDM是一种改进的时分复用，明显地提高了信道利用率。集中器常使用这种统计时分复用。统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据，但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态的分配时隙，因此统计时分复用可以提高线路利用率。

4.2，波分复用

波分复用WDM就是光的频分复用。

4.3，码分复用

码分复用CDM是另外一种共享信道的方法，实际上人们最常用的名词还是码分多址（CDMA），码分复用最初用于军事通信，因为这种系统发送的信号具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。

在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片。

使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列，一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列，如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

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，还必须互相正交。

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1；和自己反码的向量的规格化内积是-1.

5，数字传输系统

早期数字传输系统存在许多缺点，最主要的就是速率标准不统一和非同步传输。为解决这些问题，美国于1988年推出了一个数字传输系统，即同步光纤网SONET。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构。其传输速率以51.84 Mbit/s 为基础，大约对应于 T3/E3的传输速率，此速率对电信号称为第1级同步传送信号(Synchronous Transpon Siegal)，即STS-1；对光信号则称为第1级光载波(Optical Carrier), 即OC-1. 现已定又了从51.84Mbits (即0C-1)一直到9953.280 Mbit/s (即0C-192/STS-192)的标准。
ITU-T以美国标准SONET为基础，制定出国际标准同步数字系SDH，即1988 年通过的G707~G709等三个建议书。到1992年又增加了十几个建议书。一般可认为SDH与SONET是同义词，但其主要不同点是: SDH的基本速率为155.52 Mbit/s,称为第1级同步传递模块(Synchronous Transfer Module),即STM-1，相当于SONET体系中的OC-3速率。

SDH/SONET标准的制定，使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在STM-I等级上获得了统一。各国都同意将这一速率以及在此基础上的更高的数字传输速率作为国际标准。这是第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。现在SDH/SONET标准已成为公认的新一代理想的传输网体制，因而对世界电信网络的发展具有重大的意义。SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

6，宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类，一类是有线宽带接入，而另一类是无线宽带接入。

6.1，ADSL技术

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话线进行改造。使它能够承载宽带数字业务。ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的路径。

ADSL在用户线两端各安装一个ADSL调制解调器，这种调制解调器的实现方案有很多种，我国目前采用的方案是离散多音调DMT。DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为多个子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。

ADSL不能保证固定的数据率。

6.2 FTTx技术

光纤到户FTTH就是把光纤一直铺设到用户家庭，只有在光纤进入用户的家门后才把光信号转换为电信号。

现在已有很多种不同的FTTx.除了光纤到户FTTH外，还有光纤到路边FTTC (C示Curtb)，光纤到小区FTTZ (Z表示Zone)，光纤到大楼FTTB (B表示Building)，光纤楼层FTTF (F表示Floor)，光纤到办公室FTTO (O表示Office)，光纤到桌面FTTD (D表示Desk)等等。