第二章 物理层

第二章 物理层

目录

• 第二章 物理层
  • 物理层的基本概念
  • 数据通信的基本知识
  • 物理层下的传输媒体
  • 信道复用技术

物理层的基本概念

位置：网络体系结构的最底层

不是具体传输媒体，也不是连接计算机的具体物理设备

一条网线不是物理层

功能：在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

• 数据链路层把比特流交给物理层
• 物理层按照传输媒体的需要进行编码
• 将信号通过传输媒体传输给下一个物理层

作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

物理层之间的协议——规程 procedure

两类传输媒体接口

• 数据终端设备 DTE 起点或终点
• 数据电路终结设备 DCE 中间点

四个特性

• 机械特性：接口所用接线器的形状尺寸等
• 电气特性：电气连接和相关特性，电压范围等
• 功能特性：某条线上出现的某一电平的电压的意义，定义接线器每个引脚的作用
• 过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

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数据通信的基本知识

主要内容：信号在信道上传输时的数学表示及其受到的限制

三大部分：源系统（发送端，发送方），传输系统（传输网络），目的系统（接收端，接收方）

通信：在源点的终点之间传递消息或信息

消息：向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字，符号，数据等

信息：包含在消息中对通信者有意义的内容

数据：对某一事实不经解释并赋予一定含义的字母，数字等符号

信号：电气或者电磁的表现

信号是消息的载体，数据是运送消息的实体，信息包含在消息之中

信道：信号传输的通道

• 单向通信：只有一个方向的通路
• 双向交替：不能同时发送，一个时间只能一个方向
• 双向同时：传输双方同时发送和接收

基带信号：信源发出的没有经过调制的原始信号

调制：让信号可以在相应信道中传输

• 基带调制（编码）：只变换波形，从一种数字信号转换成另一种数字信号
• 带通调制：把基带信号转换成模拟信号

常用编码方式

• 不归零制：正点平为 1，负电平为 0
• 归零制：正脉冲为 1，负脉冲为 0
• 曼彻斯特编码：下降沿为 1，上升沿为 0
• 差分曼彻斯特：后为 1 边沿不跳变，为 0 跳变

信号频率：曼彻斯特 > 不归零制

自同步能力：曼彻斯特具备，不归零制不具备

基本带通调制方法

• 调幅：不同幅度代表 0 和 1
• 调频：不同频率代表 0 和 1
• 调相位：不同相位（正弦波余弦波）代表 0 和 1

码元：代表不同离散数值的基本波形

信道的极限容量

失真的原因

• 信号传输距离远
• 传输媒体质量差
• 噪声干扰
  • 环境干扰
  • 人为恶意干扰
• 码元传输速率过高，限制因素
  • 信道允许的频率范围
  • 信噪比

信道允许的频率范围

奈氏准则

• 带宽为 W（Hz）的理想低通信道中，码元传输最高速率为 2W （码元/秒）
• 频带越宽，码元传输速率越高
• 码间串扰：接收端信号波形失去码元间清晰界限

奈氏准则只给出了码元传输速率的限制，没有信息传输速率的限制

v 进制码元，理想低通信道下的极限数据传输速率 = $2W{\log }_{2}v$ (b/s)

信噪比

• 信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为 S/N
• 香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限无差错信息传输速率
• C = $W{\log }_2(1+S/N)$ (bit/s)
• 信噪比越大，信息的极限传输速率就越高

香农公式和奈氏准则意义

• 奈氏准则：激励工程人员不断探索更先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量
• 香农公式：告诫工程人员在有噪声的信道上，任何编码技术都不能突破香农定理给出的信息传输速率

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物理层下的传输媒体

注意：传输媒体不属于物理层

传输媒体：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

• 导引型传输媒体：信号沿着固定的线路传输
• 非导引型：没有固定线路，通常为无线传输

导引型

• 双绞线：两个互相绝缘的铜导线绞合，绞合程度越高，数据传输率越高
  • 无屏蔽双绞线：无屏蔽层，价格较便宜
  • 屏蔽双绞线：带屏蔽层，必须有接地线
• 同轴电缆：抗干扰特性好，传输距离长，逐渐被双绞线和光纤替代
• 光缆：带宽远远大于其他传输媒体
  • 发送端：无源光，在电脉冲作用下产生光脉冲
  • 接收端：光检测器，利用光电二极管制成，将光脉冲还原为电脉冲
  • 光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射
  • 多模光纤：多条光线同时反射

光纤的优缺点

• 优点
  • 带宽大
  • 传输损耗小，距离长
  • 抗雷电和电磁干扰性能好
  • 无串音干扰，保密性好
  • 体积小，重量轻（光缆不轻，因为包了许多保护层）
• 缺点
  • 质地脆，机械强度差
  • 连接困难
  • 弯曲半径不能过小
  • 分路，耦合不灵活
  • 怕水

非导引型：无线电波通信

• 长波，中波：主要是直线传播
• 微波：地面微波接力/卫星通信

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信道复用技术

多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输

频分复用 FDM

• 将整个带宽按频率分成多个频带，某个频带在通信过程中始终占据这个频带
• 所有用户在同样的时间占用不同的频带
• 时间上完全一致，频率上各自分开
• 例如广播电台，让更多用户轮流使用 频分多址

时分复用 TDM

• 按 TDM 帧划分信道的使用，一个信号独占一个时间片
• 频率上完全一致，时间上各自分开
• 更多用户轮流使用 时分多址
• 统计时分复用 STDM
  • 数据发往复用器，复用器按顺序扫描把数据放入 STDM 帧中，帧满了就发出
  • 按需动态分配时隙

波分复用 WDM

• 光的频分复用，按波长来分

码分复用 CDM

• 同时同频通信
• 各用户使用特殊挑选的不同码型
• 多用户共享码分复用 码分多址 CDMA
• 工作原理
  • 每一个比特时间划分成 m 个间隔，称为码片
  • 为每一个站指派一个唯一的 m bit 码片序列
    • 发送 1：发送自己的码片序列
    • 发送 2：发送自己码片序列的反码
  • 每个站的码片序列各不相同且互相正交
    • 正交：任意两个码片的规格化内积是 0
    • 自己和自己的规格化内积是 1
    • 自己和反码的规格化内积是 -1
  • 提取方法：用自己的码片乘混合信号，得到 1 就是自己，-1 就是反码，因为混合信号除自己发送的信号外其他信号乘积都是 0 不影响