物理层

概述

1、物理层实现在连接各种计算机的传输媒体上,传输数据比特流

2、物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异,使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务,而不必考虑网络具体的传输媒体是什么

 

主要任务

1、机械特性:指明接口所用接线器的形状、尺寸,引脚的数目、排列顺序,固定和锁定装置

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,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

 

物理层之下的传输媒体

1、导引型传输媒体:同轴电缆、双绞线、光纤、电力线

2、非导引型传输媒体:无线电波、微波、红外线、可见光

 

同轴电缆

1、从内到外的结构:内导体铜质芯线(单股实心线 / 多股绞合线)-> 绝缘体 -> 外导体屏蔽层(网状编织)-> 绝缘保护套层

2、分类

(1)基带同轴电缆:50 Ω 阻抗,数字传输,早期用于局域网

(2)宽带同轴电缆:75Ω 阻抗,模拟传输,目前主要用于有线电视

3、同轴电缆价格较贵、布线不够灵活、方便,随看集线器的出现,在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体

 

双绞线

1、类型

(1)无屏蔽双绞线 UTP 电缆

(2)屏蔽双绞线 STP 电缆

2、绞合作用:抵御部分来自外界的电磁波干扰,减少相邻导线的电磁干扰

3、类别

绞合线类别 带宽 线缆特点 应用
3 16 MHz 2 对 4 芯双绞线 模拟电话;曾用于传统以太网(10 Mbit/s)
4 20 MHz 4 对 8 芯双绞线 曾用于令牌局域网
5 100 MHz 与 4 类相比,增加绞合度 传输速率 <= 100 Mbit/s
5E(超五类) 125 MHz 与 5 类相比,衰减更小 传输速率 <= 1 Gbit/s
6 250 MHz 与 5 类相比,改善串扰等功能 传输速率 > 1 Gbit/s
7 600 MHz 使用屏蔽双绞线 传输速率 > 10 Gbit/s

 

光纤

1、从内到外的结构:光纤 -> 纤膏 -> 阻水带 -> 松管套 -> 双层涂塑轧纹钢带 -> 金属加强件 -> PE 护套

2、工作波长:0.85 微米(衰减较大)、1.30 微米(衰减较小)、1.55 微米(衰减较小)

3、缺点

(1)切割需要专用设备

(2)光电接口价格较贵

4、优点

(1)通信容量大(25000 ~ 30000 GHz 带宽)

(2)传输损耗小

(3)抗雷电、电磁干扰

(4)无串音干扰、保密性高

(5)体积小,重量轻

5、纤芯

(1)非常透明的石英玻璃拉成细丝

(2)折射率高

(3)直径范围:8 ~ 100 微米

6、包层

(1)玻璃封套,包裹纤芯

(2)折射率低

(3)直径:125 微米

7、工作原理

(1)发送端(光源):发光二极管 / 半导体激光器

(2)接收端:光电二极管 / 激光检波器

8、多模光纤

(1)光在纤芯中传输的方式是不断地全反射

(2)只要从纤芯中,射到纤芯表面的光线的入射角大某个临界角度,就可产生全反射,因此,可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输

(3)由于色散(模式、材料、波导色散),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),只适合近距离传输(建筑物内)

(4)纤芯直径:50 微米、62.5 微米

(5)发送光源:发光二极管

(6)接收检测:光电二极管

9、单模光纤

(1)光在纤芯中一直向前传播而不发生全反射

(2)没有模式色散,在 1.31 微米波长附近材料色散和波导色散大小相等、符号相反,两者正好抵消,适合长距离传输且衰减小,但其制造成本高,对光源要求高

(3)纤芯直径:9 微米

 

传输方式

1、串行传输

(1)按比特为单位,依次发送,发送和接收端之间只需要一条传输数据线路

(2)远距离传输,如,计算机网络

2、并行传输

(1)一次发送 n 个比特,发送和接收端之间需要 n 个传输线路

(2)速度为串行传输的 n 倍,但成本高昂

(3)计算机内部传输,如,CPU、内存之间使用总线传输

3、同步传输

(1)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

(2)由于不同设备的时钟频率存在一定差异,不可能做到完全相同,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位,因此,需要采取方法使收发双方的时钟保持同步

(3)外同步:在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线

(4)内同步:发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起起传输,如,曼彻斯特编码

4、异步传输

(1)以字节为独立的传输单位,字节之间的时间间隔不是固定的,接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步,因此,通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位

(2)字节之间异步,各比特的持续时间相同

5、单工通信 / 单向通信

(1)通信双方只有一个数据传输方向,只需一条信道

(2)如,无线电广播

6、半双工通信 / 双向交替通信

(1)通信双方可以相互传输数据,但不能同时进行

(2)如,无线电

7、全双工通信 / 双向同时通信

(1)通信双方可以同时发送和接收信息

(2)如,电话

 

编码、调制

1、概念

(1)数据:运送消息的实体

(2)信号:数据的电磁表现

(3)基带信号(基本频带信号):来自信源的信号,如计算机输出的文字、图像的数据信号都属于基带信号

(4)模拟信号:代表消息的参数的取值是连续的

(5)数字信号:代表消息的参数的取值是离散的

(6)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

2、基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量,因此必须对基带信号进行调制

3、传输媒体与信道的关系

(1)传输媒体不能和信道划等号

(2)对于单工传输,传输媒体只包含一个信道,要么是发送信道,要么是接收信道

(3)对于半双工和全双工,传输媒体中要包含两个信道,一个发送信道,另一个是接收信道

(4)如果使用信道复用技术,一条传输媒体还可以包含多个信道

 

不归零编码

1、在整个码元时间内,电平不会出现零电平

2、根据实际规定,正电平、负电平,来表示比特 1、比特 0

3、需要发送方的发送、接收方的接收做到严格的同步

(1)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,接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元

(2)对于计算机网络,额外的时钟信号降低传输性能

(3)由于不归零编码存在同步问题,因此计算机网络中的数据传输不采用这类编码

 

归零编码

1、每个码元传输结束后,电平变为零电平,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

2、相当于把时钟信号,归零编码在数据之内,这称为“自同步”信号

3、但是,归零编码中大部分的数据带宽,都用来传输“归零”而浪费掉

4、归零编码虽然自同步,但编码效率低

 

曼彻斯特编码

1、在每个码元时间的中间时刻,信号都会发生跳变

2、根据实际规定,正跳平、负跳平,来表示比特 1、比特 0

3、码元中间时刻的跳变即表示时钟,又表示数据

4、传统以太网使用的就是曼切斯特编码

 

差分曼彻斯特编码

1、在每个码元时间的中间时刻,信号都会发送跳变

2、与曼彻斯特不同

(1)跳变仅表示时钟

(2)码元开始处电平是否变换表示数据

3、根据实际规定,表示比特 1、比特 0

4、变化少,更适合较高的传输速率

 

调制

1、数字信号转换为模拟信号,在模拟信道中传输,例如 WiFi,采用补码键控 CCK / 直接序列扩频 DSSS / 正交频分复用 OFDM 等调制方式

2、模拟信号转换为另一种模拟信号,在模拟信道中传输,例如,语音数据加载到模拟的载波信号中传输,频分复用 FDM 技术,充分利用带宽资源

3、基本调制方法

(1)调幅 AM:所调制的信号由两种不同振幅的基本波形构成

(2)调频 FM:所调制的信号由两种不同频率的基本波形构成

(3)调相 PM:所调制的信号由两种不同初相位的基本波形构成

(4)缺点:1 个码元(基本波形)只能包含 1 个比特信息量

 

混合调制

1、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、相位两个中的一个 

2、正交振幅调制(QAM):结合相位、振幅

3、QAM - 16

(1)12 种相位

(2)每种相位有 1 或 2 种振幅可选

(3)可以调制出 16 种码元(波形)

(4)每种码元可以对应表示 4 个比特

(5)码元与 4 个比特的对应关系采用格雷码:任意两个相邻码元只有 1 个比特不同

(6)格雷码:减少误码的错误位数,保证临界码元的判决域,可以做出最少的错误判别

 

信道的极限容量

1、任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰

2、失真原因

(1)码元传输的速率越高

(2)信号传输的距离越远

(3)噪声干扰越大

(4)传输媒体质量越差

3、奈氏准则:在假定的理想条件下,为了避免码间串扰,码元传输速率是有上限的

(1)理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W(单位:码元/秒)

(2)理想带通信道的最高码元传输速率 =W Baud = W(单位:码元/秒)

(3)W:信道带宽,单位为Hz

(4)Baud:波特(码元/秒)

4、码元传输速率 / 波特率 / 调制速率 / 波形速率 / 符号速率,与比特率有一定关系

(1)当 1 个码元只携带 1 比特的信息量时,则波特率(码元/秒)与比特率(比特/秒)在数值上是相等的

(2)当 1 个码元携带 n 比特的信息量时,则波特率转换成比特率时,数值要乘以 n

(3)要提高信息传输速率(比特率),就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量,这需要采用多元制

(4)实际的信道所能传输的最高码元传输速率,要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值

5、香农公式

(1)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

(2)c = W * log2(1 + S / N)

(3)c:信道的极限信息传输速率(单位:b/s)

(4)W:信道带宽(单位:Hz)

(5)S:信道内所传信号的平均功率

(6)N:信道内的高斯噪声功率

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

(8)信道带宽或信道中信噪比越大,信息的极限传输速率越高

(9)在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少,因为在实际信道中,信号还要受到其他一些损伤,如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等,这些因素在香农公式中并未考虑

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