物理层基本概念

计算机网络的物理层就是要解决计算机在各种传输媒体尚传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务

物理层为了解决在各种传输媒体尚传输比特0和1的问题，主要有以下四个任务

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。
2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线出现的电压的范围
3. 功能特性：指明某条线上出现某一电平的电压表示何种意义。
4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

因为传输媒体的种类很多，物理连接方式也很多，故物理层协议种类众多，但每种物理层协议都包含了上述四个任务的具体内容

物理层考虑的是怎么样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使得数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，不需要考虑网络的具体传输媒体是什么。

物理层下面的传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层！

在计算机物理中用来连接网络设备的传输媒体分为

1. 导引型传输媒体

   双绞线，同轴电缆，光纤，电力线

2. 非导引型传输媒体

   无限电波，微波，红外线，可见光

导引型传输媒体

同轴电缆

同轴电缆分为两种

1. 基带同轴电缆(50欧姆)

   用于数字传输，过去用于局域网

2. 宽带同轴电缆(75欧姆)

   用于模拟传输，目前主要用于有线电视

双绞线

双绞线：最古老最常用的传输媒体。

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，按照一定规则绞合起来就是双绞线

绞合的作用：

1. 抵御部分外界的电磁波干扰
2. 减少相邻导线的电磁干扰

双绞线分为：

1. 无屏蔽双绞线UTP电缆

   

2. 屏蔽双绞线STP电缆

   屏蔽双绞线比无屏蔽双绞线多了金属丝编的屏蔽层

常用双绞线类别，带宽，应用

光纤

光纤优点：

• 通信容量大
• 传输损耗小，远距离传输时更加经济
• 抗雷电和电磁干扰性好。
• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
• 体积小，重量轻

光纤缺点：

• 切割需要专用机器
• 光电接口价格高

光纤原理：

• 当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体，折射角大于入射角
• 因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射会纤芯

1. 多模光纤：可以存在许多不同角度的入射角的光线在一条光纤中传输，这种光纤叫多模光纤

​ 由于光的色散问题，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽）

​ 多模光纤只适合近距离传输（建筑物内）

​ 多模光纤多光源要求不高，可采用发光二极管发射光源，采用光电二极管接收光源

2. 单模光纤：若光在纤芯中一直向前传播而不发生全反射，这种叫单模光纤

单模型光纤：

• 没有模式色散，故不存在脉冲展管问题
• 适合长距离传输且衰减小，但制作成本高，对光源要求高。
• 使用激光发射器发射光源，使用激光检波器接收

电力线

非导引型传输媒体

无线电波

无线电波：利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息

电磁波的频谱：

划分：

无线电波中LF和MF频段：依靠地面波传输

无线电波中HF和VHF段依靠电离层的反射。

微波

微波通信频率范围：300MHz到300GHz，波长1m到1mm。但主要使用2~40GHz的频率范围

微波在空间主要是直线传播

传统微波通信有两种：

1. 地面波接力通信

   

   因为微波在空间是直线传播的，地球表面是个曲面，故传播距离受限，一般为50KM，但使用100m高的天线塔，传播距离就扩大到100KM.

   为实现超远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干中继站。

   中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为接力。

2. 卫星通信

   

   常用卫星通信的方法：在地球站之间利用位于越3万6千里高的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信

   特点：通信距离远，传播时延大，一般为250~300ms

红外线

红外通信属于点对点无线传输，直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率低

可见光

还处于实验研究阶段，但是特点！传输数据大，传输快！

现在无限局域网使用的是2.4GHz和5.8GHz频段

传输方式

串行传输

串行传输指数据是一个比特一个比特依次发送的。

因此在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可

计算机网络之间采用串行传输方式

并行传输

并行传输指依一次发送n个比特，而不是一个比特。

因此在发送端和接收端之间需要n条传输线路。

计算机内部采用并行传输方式

优点：速度是串行传输的n倍

缺点：成本高

同步传输

同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1

由于不同设备的时钟频率存在一定差异，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错误位。

解决方法：采用方法使收发双方的时钟同步。

实现收发双方时钟同步的方法有：

1. 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。

   发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号。

   接收端按照时钟同步信号节奏来接收数据。

2. 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼彻斯特编码）

异步传输

异步传输：以字节为独立的传输单位，字节之间的间隔是不固定的。接收端只在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。

因此通常在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

异步：

• 字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
• 字节中每个比特仍然要同步（各比特持续时间是相同的）

单向通信（单工）

单向通信：通信双方只有一个数据传输方向。

单向通信只需要一条信道

例如：无线电广播

双向交替通信（半双工）

双向交替通信：通信双方可以相互传递数据，但不能同时进行。

双向交替通信需要两条信道（每个方向各一条）

例如：对讲机

双向同时通信（全双工）

双向同时通信：通信双方可以同时发送和接收信息。

双向同时通信需要两条信道（每个方向各一条）

例如：电话

编码与调制

基本概念

数字基带信号：比如，计算机内部cpu与内存之间传输的信号。

模拟基带信号：比如说，麦克风收到后产生的音频信号。

以数字基带信号为例：

编码：在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码。

编码后产生的信号是数字信号，可在数字信道传输。

调制：把数字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，称为调制。

调制后产生的信号是模拟信号，可在模拟信道传输。

对模拟基带信号进行编码的典型应用：对音频信号进行编码的脉码调制PCM，也就是将模拟音频信号通过采样，量化，编码三个过程进行数字化

对模拟基带信号进行调制的典型应用：

1. 将语音数据加载到模拟的载波信号中传输，例如传统的电话。
2. 频分复用FDM技术，可以充分利用带宽资源。

码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值得基本波形。简单来说，码元就是构成信号得一段波形。

常用编码

不归零编码

不归零：在整个码元时间内，电平不会出现零电平

缺点：需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步，从而让接收方按时钟信号得节拍判断码元。

但对于计算机网络而言，宁愿利用这根传输线传输数据信号而不是传输时钟信号。故不归零编码存在同步问题，计算机网络不采用这个编码。

归零编码

每个码元传输接收后信号都要归零，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用归零方式编码在了数据之内，这称为自同步信号。

优点：自同步

缺点：归零编码中大部分数据带宽都用来传输归零而浪费了，故编码效率低

曼彻斯特编码

传统以太网使用的就是曼彻斯特编码，10Mb/s

码元的中间时刻的跳变即表示时钟又表示数据。

差分曼彻斯特编码

跳变仅表示时钟，码元开始处电平是否发生变化表示数据。

基本调制方法

调幅AM：调振幅

调频FM：调制频率

调相PM：调制初相位

很明显，使用基本调制方法，1码元只能包含1个比特信息。

混合调制：解决1码元只能包含1个比特信息的情况。

因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位中的一个。

通常情况下，相位和增幅可以结合起来一起调制，称为正交增幅调制QAM

混合调制举例：

• QAM-16：这种调制方法调制出来的波形有12种相位，每种相位有1或2种振幅可选。可以调制出16种码元（波形）每种码元可对应表示4个比特，每个码元与四个比特的对应关系不能随便定义，采用格雷码的对应关系。

  格雷码：任意两个相邻码元只有1个比特不同。

信道的极限容量(有计算题)

失真原因：

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

码间干扰：波形失去了码元之间的清晰界限的现象。

奈氏准则：在假定的理想条件下，为避免码间干扰，码元传输速率是有上线的。

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud

理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud

W：信道带宽（单位为Hz） Baud：波特，即 码元/秒

码元传输速率又称为波特率，调制速率，波形速率或符号速率。它与比特率有一定的关系：

1. 当1个码元只携带1比特的信息量时，则 波特率与比特率在数值上是相等的。
2. 当1个码元携带n比特的信息量是，则波特率转化为比特率时，数值要乘于n

要提高信息的传输速率，就必须设法使每一个码元能携带更多的比特信息量。这就需要采用多元制。

在上面的基本调制方法中的AM，FM，PM属于二元调制。只能产生两种不同的码元，因此每个码元只能携带1比特的信息量。

上述的混合调制属于多元调制，例如QAN16可以调制16种不同的码元，因此每个码元可以携带4个比特的信息量。

注：

1. 实际信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的上限数值。因为它是在假定理想条件推出的。

2. 信道的极限信息传输速率还受限于实际信号在信道中传输时的信噪比。噪声功率相对信号功率越大，影响也越大。

   故让码元携带更多比特不能无限制提高信息的传输速率。

3. 数据传输速率=波特率 x 每个码元所携带的信息量

4. 设可调整的不同基本波形或码元数量为x，则每个码元可携带的比特数量=log₂X

香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

公式：c=W x log₂ (1+S/N)

c：信道的极限信息传输速率（单位：bit/s)

W：信道带宽（单位：Hz）

S：信道内所传送信号的平均功率

N：信道内的高速噪声功率

信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位，信噪比（dB）=10 x log₁₀(S/N) (dB)

• 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

• 在实际信道所能达到的信息传输速率还要比该公司的极限传输速率低不少。

  因为在实际信道中，信号还要收到其他一些损伤，如各种脉冲干扰等

综上所述：要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比

信道复用技术

信道复用技术基本原理

复用：在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。

当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过信道复用技术，在这条传输媒体上，建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。

在发送端，使用复用器，让多个用户通过复用器从而使用一个大容量共享信道进行通信。

在接收端，使用分佣器，将共享信道传输的信息分别发送给相应的用户。

如图所示：

尽管实现信道复用会增加通信成本，但如果复用的信道数量较大，还是很划算的。

常见的信道复用技术（有计算题）

1. 频分复用FDM：

   将传输媒体的总频带划分成多个子频带，每个子频带作为一个通信子信道，每对用户使用其中一个子信道进行通信。

   各子信道之间需要流出隔离频带，以免造成子信道间的干扰

   频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源发送数据。

   

2. 时分复用TDM

   将时间划分为一段段等长的时隙，每一个时分复用的用户在其相应的时隙内，独占传输媒体的资源进行通信

   时分复用的各用户所对应的时隙构成了时分复用帧又叫TDM帧

   每个用户占用的时隙是周期性出现的，其周期就是TDM帧的长度

   TMD帧实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层对等实体间的逻辑通信帧是不同的概念。

   简单解释：时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带。

   

3. 波分复用WDM

   波分复用就是光的频分复用

   根据频分复用的设计思想，可在一条光纤上同时传输多个频率(波长)相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术。

   目前可以在一条光纤上复用80路或更多的光载波信号，因此这种复用技术又叫密集波分复用DWDM

   物理原理：

   

4. 码分复用CDM（有计算题）

   1. 码分复用常称为码分多址CDMA 它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术.

   2. 与FDM和TDM不同,CDMA的每个用户可以在相同时间使用相同的频带进行通信

   3. CDMA最初用于军事通信,具有很强的抗干扰能力,频谱类似于白噪声,不易被发现.

   4. CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片,称为码片.

      m的取值一般为64或128

      为简单起见在后续举例中假设m为8

   5. CDMA的每个站点都被指派唯一的一个m比特码片序列

      • 某个站要发送比特1,则发送它自己的m比特码片序列
      • 某个站要发送比特0,则发送它自己的m比特码片序列的反码.

      举例:

      假设给某个站指派8比特码片序列01011001

      ​ 该站发送比特1 发送自己的8比特码片序列 01011001

      ​ 该站发送比特0 发送自己的8比特码片序列的反码 10100110

      将码片序列中的比特0记为-1而比特1记为+1,可写出码片序列对应的码片向量.

      在本例中,该站的码片向量为:(-1+1-1+1+1-1-1+1).

   6. 如果有两个或多个站同时发送数据,则信道中的信号就是这些站各自发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加.

      为了从信道中分离出每个站的信号,给每个站指派码片序列时需遵守以下规则

      1. 分配给每个站的码片序列必须各不相同, 实际常采用伪随机码序列

      2. 分配给每个站的码片序列必须相互正交,即各码片序列相应的码片向量之间的规格化内积为0

         令向量A表示站A的码片向量，向量B表示站B的码片向量

         俩个不同站A和B的码片序列相互正交，就是向量A和向量B的规格化内积为0，如下式所示

         

         举例：

         给站A分配的8比特码片序列为 0101 1001 则站A的码片向量为（-1 +1 -1 +1 +1 -1 -1 +1）

         给站B分配的8比特码片序列为 0011 0101 则站B的码片向量为（-1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1）

         带入上式得规格化内积为

      根据规格化内积公式还可推出

      

      上述公式表示：任何站得码片向量，与其他各站得码片反码向量的规格化内积为0

      

      上述公式表示：任何站的码片向量与该站自身码片向量的规格化内积为1

      

      上述公式表示：任何站的码片向量与该站自身码片反码向量的规格化内积为-1

      举例1：

      

      举例2

      

      

      

      

      计算题举例

      

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