第二章物理层

Posted 2020-12-17 heathhou

1. 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输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的主要任务描述为:确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

1. 机械特性: 例接口形状，大小，引线数目
2. 电气特性：例规定电压范围(-5V到+5V)
3. 功能特性：例规定-5V表示0，＋5V表示1
4. 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2. 数据通信的基础知识

通信的目的是传送消息。

2.1 典型的数据通信模型

2.2 相关术语

1. 数据(data)——运送消息的实体。
2. 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
   • “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。
3. 码元(code) —— 在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元。
   • 在数字通信中常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。 而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量 。

2.3 有关信道的几个基本概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

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。
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(当然也就不能同时接收)。
3. 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

2.4 基带(baseband)信号和带通(band pass)信号

2.5 调制

2.5.1 基带调制

1. 单极性不归零码

   • 只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0.

2. 双极性不归零码

   • 用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。

3. 单极性归零码

   • 单极性归零码（RZ）即是以高电平和零电平分别表示二进制码1 和0，而且在发送码1 时高电平在整个码元期间T 只持续一段时间τ，其余时间返回零电平

4. 双极性归零码

   • 正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

   

5. 曼彻斯特编码

   

6. 差分曼彻斯特编码

   

2.5.2 带通调制

1. 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
2. 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
3. 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

2.6 信道极限容量

2.7 奈氏准则

奈氏准则： 没有信号干扰 码元的传输速率有上限

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，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的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

? 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

2.9 香农公式

香农公式： 有信号干扰 无差错传输速率 C = W log2(1+S/N) b/s

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为:

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

• 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；
• 为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明:

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
3. 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
4. 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

2.10 奈氏准则和香农公式的应用范围

3. 物理层下面的传输媒体

3.1 导引型传输媒体

导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

1. 双绞线
   • 屏蔽双绞线 STP
   • 无屏蔽双绞线 UTP
2. 同轴电缆
   • 50 W 同轴电缆 用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆；
   • 75 W 同轴电缆用于模拟传输，即宽带同轴电缆。
3. 光缆

3.1.1 双绞线电缆和同轴电缆

实物图：

3.1.2 网线

1. 直通线：具体的线序制作方法是：

   • 双绞线夹线顺序是两边一致，统一都是：
   • 橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。
   • 注意两端都是同样的线序且一一对应。
   • 这就是100M网线的做线标准，即568B标准，也就是我们平常所说的正线或标准线、直通线。

2. 直通线应用最广泛，这种类型的以太网电缆用来实现下列连接:

   • 主机到交换机或集线器
   • 路由器到交换机或集线器

   

3. 交叉电缆：和直通线相对应，是交叉的。

3.1.3 光纤

1. 光线在光纤中的折射

2. 光纤的工作原理

   

3. 多模光纤与单模光纤

3.2 非导向传输媒体

1. 非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。

2. 无线传输所使用的频段很广。

3. 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

4. 微波在空间主要是直线传播。

   • 地面微波接力通信
   • 卫星通信

5. 电信领域使用的电磁波的频谱

3.3 集线器

4. 信道复用技术

4.1 频分复用

1. 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。

2. 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

   

4.2 时分复用

1. 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）。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。
2. 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度对应的时间）。
3. TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
4. 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。

时分复用可能会造成线路资源的浪费。

4.3 统计时分复用

4.4 波分复用

4.5 码分复用

5. 数字传输系统

1. 脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
2. 由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。
3. E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。
4. 当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

E1:

T1:

6. 宽带接入技术

6.1 xDSL

1. xDSL:用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造
2. 铜线宽带接入技术：xDSL
3. 标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
4. xDSL 技术就把 0~4 kHz 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。

6.1.1 ADSL

ADSL 的特点:

1. 上行和下行带宽做成不对称的。
2. ADSL 在用户线的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
3. 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。

6.1.2 DMT调制技术

1. DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，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。

2. 每个子信道占据 4 kHz 带宽,并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

3. DMT技术图示：

   

4. DMT技术的频谱分布

   

6.1.3 ADSL的组成

ADSL调制解调器又被称为：接入段接单元ATU

6.2 HFC

1. HFC：光纤同轴混合网 (Hybrid Fiber Coax)
2. HFC 网是在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。
3. HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
4. 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造

6.2.1 HFC 的主要特点

HFC网的主干线路采用光纤

• HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
• 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。
• 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

HFC 网采用结点体系结构

HFC 网具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能 .

每个家庭要安装一个用户接口盒

6.2.2 HFC 网的最大优点

1. 具有很宽的频带。
2. 能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。

6.3 FTTx 技术

1. FTTx：（光纤到……）也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。
2. 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法(155Mb/s)。
3. 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
4. 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体(155Mb/s) 。