计算机网络(第二章 物理层)

文章目录

• 1.物理层的基本概念
• 2.数据通信的基础知识
• • 2.1数据通信系统模型
  • 2.2有关信道的基本概念
  • 2.3信道极限容量
• 3.物理层
• • 3.2引导性传输媒体
  • 3.3非引导性传输媒体
• 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
• 5.宽带接入技术

本文首先讨论物理层的基本概念。然后介绍有关数据通信的重要概念，以及各种传输
媒体的主要特点，但传输媒体本身并不属于物理层的范围。在讨论几种常用的信道复用技术后对数字传输系统进行简单介绍。最后再过论几种常用的宽带接入技术。

1.物理层的基本概念

首先要强调指出，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，而不是指具体的传输媒体。
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一些特性：

特性类型	描述
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、置等。常见的各种规格的接插件都有严格的标准化规定。
电气特性	指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性	指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
过程特性	指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.数据通信的基础知识

2.1数据通信系统模型

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一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端、发送方、专输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)。

源系统部分	描述
源点 (Source)	源点设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站或信源。
发送器 (Transmitter)	源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在计算机外面看不见调制解调器。
目的系统部分	描述
接收器 (Receiver)	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。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点 (Destination)	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（例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来）。终点又称为目的站或信宿。

2.2有关信道的基本概念

通信方式	描述	信道需求
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。例如，无线电广播或有线电广播以及电视广播。	需要一条信道
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）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。	需要两条信道（每个方向各一条）
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。	需要两条信道（每个方向各一条）

类型	描述
基带调制	- 仅对基带信号的波形进行变换，使其适应信道特性。 - 变换后的信号仍然是基带信号。 - 通常称为编码(coding)。
带通调制	- 使用载波(carrier)进行调制。 - 将基带信号的频率范围搬移到较高的频段。 - 转换为模拟信号，以更好地在模拟信道中传输。 - 信号称为带通信号。 - 使用载波的调制称为带通调制。

2.3信道极限容量

奈氏准则：在带宽为(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是 2V(码元/秒)。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。
香农公式：

$$C=W{\log }_2(1+\frac{S}{N})\text{(bit/s)}$$
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
香农公式的意义在于:只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。不过，香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。

3.物理层

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通路。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。

3.2引导性传输媒体

传输媒体	优点	应用场景
双绞线	传输速度快、成本较低、抗干扰能力较强	局域网、家庭宽带、电话线
同轴电缆	抗干扰能力强、传输距离较远、带宽较高	有线电视、宽带网络、卫星通信
光纤	传输速度快、带宽大、抗干扰能力强、传输距离远	城域网、广域网、数据中心、长距离通信

3.3非引导性传输媒体

无线电波、基站

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FDM	时分复用TDM	统计时分复用STDM
频分复用的各路信号在相同的时间占用不同的信道资源	时分复用的所有用户在不同的时间占用相同的频带宽度	统计时分复用是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。
将整个带宽分为多份，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。	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。 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)的。 TDM 信号也称为(isochronous)信号。

4.2波分复用

波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用

5.宽带接入技术

ADSL技术	光纤同轴混合网	FTDX技术