计算机网络-第2章物理层

本章内容：物理层和数据通信的概念、传输媒体特点（不属于物理层）、信道复用、数字传输系统、宽带接入

2.1-2.2 物理层和数据通信的概念

物理层解决的问题：如何在传输媒体上传输数据比特流，屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的特性，即机械、电气、功能和过程特性。

数据通信系统（也可以叫计算机网络系统）组成：源系统、传输系统、目的系统。源系统包括源点、发送器（调制器）；目的系统包含终点，接收器（解调器）。

基带调制原因：基带信号含有低频、直流成分，许多信道不能传输。

调制有两类，基带调制和带通调制，后者需要使用载波（carrier）。

基带调制：对基带信号进行波形变换，把数字信号变换成另一种数字信号，这种过程也叫编码（coding）。

常用编码方式：不归零制（正电平代表1，负电平代表0）、归零制（正脉冲代表1，负脉冲代表0）、曼彻斯特编码（位周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1）、差分曼彻斯特编码（每一位中心始终有跳变，位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1）.曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高，且前者具有自同步能力，后者不具备，自同步能力指的是从信号波形本身提取信号时钟频率。

带通调制：使用载波，将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，经载波调制后的信号为带通信号。

带通调制方法：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。为提高信息传输速率，必须采用技术上更复杂的多元制的振幅相位混合调制，如正交振幅调制（QAM， quadrature amplitude modulation）。

数字通信优点：虽然信号在传输时失真，但只要接收端能从中识别出原来信号，就对传输无影响。

影响失真的因素：码元传输速率高、信号传输距离远、噪声干扰大、传输媒体质量差

限制码元在信道上传输速率因素：信道能通过的频率范围（高频分量通常不能通过信道）、信噪比。

码间串扰：信号中的高频分量传输时受到衰减，波形前沿和后沿不陡峭，每个码元所占的时间界限不明确，接收信号波形失去码元间的清晰界限。奈式准则给出了理想条件下，为避免码间串扰，码元传输速率上限值。推导超纲本书不给出推导。信道频带越宽，ne通过信号的高频分量越多，就可用更高的传输速率。

信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，用分贝（dB）作为度量单位。

噪声可分为热噪声（电子热震动引起，与温度成正比）、脉冲噪声（由电磁波辐射引起）、窄带噪声（由已调正弦波引起）、起伏噪声（遍布在时域和频域内的随机噪声，如大气噪声和宇宙噪声），一般来说影响最大的是热噪声。

香农公式表示：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。香农公式意义：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种方法实现无差错传输，但没告诉具体的实现方法。

带宽确定、信噪比确定，可通过编码方式让每个码元携带更多比特的信息量，从而提高信息传输速率。

名词定义解释：

物理层协议也叫物理层规程（procedure）；

数据在计算机内部并行传输，在通信线路串行传输，物理层需完成传输方式转换；

通信的目的发送消息；

消息：语音、文字、图片、视频等都是消息；

数据：运送消息的实体，通常为有意思的符号序列，机器语言；

信号：数据的电气或电磁表现。

模拟信号/连续信号：代表消息的参数取值是连续的；

数字信号/离散信号：代表消息的参数取值是离散的；使用时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形为码元，二进制编码中只有0或1两种码元；

信道用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路通常包含一条发送信道和一条接收信道；

三种通信方式：单向通信、双向交替通信、双向同时通信（也分别叫单工、半双工、双工通信，单工有时也表示双向交替通信，ITU-T未采用）；

基带信号：基本频带信号，来自信源的信号，如计算机输出的表示文字或图像文件的数据信号为基带信号。

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称传输介质或传输媒介，发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体分为导引型传输媒体或非导引型传输媒体。导引型沿固体媒体传播，非导引型媒体中电磁波传输称为无线传输。

电信领域使用的电磁波频谱：

低频(1-10^4)、无线电(10^4-10^8)、微波(10^8-10^11)、红外线(10^11-10^14)、可见光(3.9-7.7*10^14)、紫外线(10^14-10^16)、X射线(10^16-10^22)、γ射线（10^22-10^24，单位Hz）;

双绞线（10^4-10^6）、海事无线电(10^4-10^6)、调幅无线电(10^5-10^7)、调频无线电（10^7-10^9）、电视(10^8-10^9)、同轴电缆(10^5-10^9)、移动无线电(10^9左右)、卫星（10^9-10^11）、地面微波(10^9-10^11)、光纤(10^14-10^15);

导引型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光缆、架空明线

各类别的双绞线，衰减随着频率的升高增大，更粗的导线可降低衰减。信号的振幅应够大，便于在噪声干扰下正确检测。

光纤发送端采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲作用下产生光脉冲；接收端采用光电二极管做成光检测器，将光脉冲还原成电脉冲。

非导引型传输媒体：无线传输波段

短波通信靠电离层反射，电离层不稳定产生衰落和电离层反射产生的多径效应，降低通信质量。

无线电微波通信在数据通信占重要地位，微波频率300MHz-300GHz，主要用2-40GHz,直线传播，不反射传播，直接穿透电离层进入宇宙空间。两种主要方式：地面微波接力通信、卫星通信。

微波一般传播50km，用100m的天线塔，可增大到100km。远距离传输需建立中继站，放大后送到下一站，称为接力。

卫星通信是用据地球站3万6千公里的人造同步地球卫星作为中继器的微波接力通信，只要三颗相隔120度的卫星就能实现全球通信。

低轨道卫星通信，相对地球非静止，而是不停旋转，使用手持通信设备即可通信。

可自由使用的无线电频段，可满足计算机无线局域网的需求。

名词定义解释：

用户线/用户环路：用户电话机到交换机的双绞线；

屏蔽双绞线：双绞线外面加一层金属丝编织城的屏蔽层，简称STP，shielded twisted pair，价格比无屏蔽双绞线UTP要贵。

3类线和5类线基于不同的绞合度进行划分；

同轴电缆：由导体铜制芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、外导体屏蔽层、绝缘保护套层。局域网发展初期用，后逐步被双绞线取代，现多用于有线电视网，高质量同轴电缆带宽接近1GHz。

信息传输速率从20世纪70年代的56kbit/s提高到现在的100Gbit/s。

光纤通信利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲进行通信，由光脉冲相当于1，无为0.可见光频率非常高，10^14Hz,10^8 MHz，传输带宽远高于其他各种带宽。

光纤由石英玻璃拉成细丝，主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光波通过纤芯传导，包层较纤芯有较低的折射率，入射角足够大就会形成全反射，光线碰到包层就会折射会纤芯，不断重复沿光纤传播。

多模光纤，多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输；传输中会逐渐展宽，造成失真，只适合于近距离传输。

单模光纤，光纤的直径减少到只有一个光的波长，光纤就像一根波导向前传播，不会产生多次反射。制造成本很高，需要用昂贵的半导体激光器。损耗少，100Gbit/s传100公里不用采用中继器。

光纤通信采用的三个波段中心：850nm、1300nm、1550nm，三个波段都具有25000-30000GHz的带宽。

光缆，光纤很细，直径不到0.2mm，需做成结实的光缆，一根光缆含1到百根光纤。

架空明线：铜线或铁线，互相绝缘的明线，但通信质量差，受气候影响大，现已停止铺设。

美国ISM频段，industrial， scientific and medical(工业、科学与医药)的缩写, 分别是902-928MHz，2.4-2.4835GHz，5.725-5.85GHz

2.4 信道复用技术

频分复用FDM（frequency division multiplexing），用户在分到一定的频带后，通信过程中自始至终的占用，相同时间占用不同的带宽资源。

时分复用TDM（time division multiplexing），将时间划分成一段段等长时分复用帧（TDM帧），TDM信号也称等时（isochronous）信号，所有用户在不同时间占用同样的频带宽度。

复用器（multiplexer）和分用器（demultiplexer）成对使用.

统计时分复用STDM（ststic TDM）为改进的时分复用，采用集中器将数据集中起来，每个用户占用的时隙并不是周期性的出现，又称异步时分复用。普通的时分复用称为同步时分复用。

波分复用WDM，wavelength division multiplexing 光的频分复用。光载波的频率很高，习惯用波长而非频率表示使用的光载波。

密集波分复用DWDM，一根光前复用几十路或更多路数的光载波信号，相较于最初的波分复用在一根光纤复用两路光载波信号。

光复用器，将多个波长接近的光载波在一根光纤中传播。波分复用的复用器也称合波器。

掺铒光纤放大器EDFA（erbium doped fiber amplifier）,放大衰减后的光信号。

码分复用CDM（code division multiplexing）,更常用的名词，码分多址CDMA（code division multiple access）.各用户使用经过特殊挑选的不同码型，各用户之间不会造成干扰。

CDMA工作原理：各站发送各站的扩频信号，接收站打算接收某站X信号时，拿X站的码片序列与收到的信号求规格化内积，为0的是要收的信息。

名词定义解释：

码片（chip）：cdma中每一个比特时间再划分为m个短的间隔，m的值一般为64或128，书中为了画图示意设m为8；

码片序列（chip sequence），使用cdma的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列；

扩频（spread spectrum）包括直接序列扩频DSSS（direct sequence spread spectrum）和跳频扩频FHSS（frequency hopping spread spectrum）；

直接序列扩频，S站要发送信息的数据率为b bit/s，经转换后发送的数据率提高到mb bit/s，占用的频带宽度也提高了m倍。

cdma给每一个站分配的码片不仅各不相同，且相互正交（orthogonal）；实际的系统使用的是伪随机码序列。

正交关系：向量S为站S的码片向量，向量T为其他站的码片向量，两站码片序列正交，即向量S与向量T的规格化内积（inner product）为0。

2.5 数字传输系统

数字通信比模拟通信在传输质量和经济上都有优势，现在模拟线路只剩下从用户电话机到市话交换机这一段几公里的电话线上。长途干线采用时分复用的PCM数字传输系统。

早期数字传输系统问题：速率标准不一、不是同步传输（准同步方式，各支路信号时钟频率有偏差）

同步光纤网SONET（synchronous optical network），整个同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，定义了线路速率等级结构，以51.84Mbit/s为基础，此速率对电信号称为第1级同步传送信号，即STS-1，对光信号为第1级光载波，即OC-1。后以此为基础，推出国际标准同步数字系列SDH，synchronous digital hierarchy. SDH基本传输速率为155.52 Mbit/s，为第1级同步传递模块，即STM-1.