计算机网络-物理层

基本概念

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。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程

主要任务

可以描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特征

• 机械特征
• 电气特征
• 功能特征
• 过程特征

数据通信基础知识

数据通信系统模型

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• 数据 (data)
  运送消息的实体。
• 信号 (signal)
  数据的电气的或电磁的表现。
• 模拟信号 (analogous signal)
  代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号 (digital signal)
  代表消息的参数的取值是离散的。
• 码元 (code)
  在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

信道

一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

• 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。
• 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)。
• 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

基带信号

来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而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

调制分类

• 基带调制
  仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。
• 带通调制
  使用载波 (carrier)进行调制，把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，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。

带通信号 ：经过载波调制后的信号

信道的极限容量

• 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。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重

影响因素

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。
但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

信道能够通过的频率范围

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能

信噪比

信噪比（dB）= 10*log 10（S/N) （dB）

香农公式

C = W * log 2 （1+S/N）（b/s）

• W —— 信道带宽
• S —— 信道内所传信号的平均功率
• N —— 信道内部的高斯噪声功率

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。
这就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

物理层下的传输媒体

导引型传输媒体

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播

非导引型传输媒体

非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输

信道复用技术

频分复用 FDM

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

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时分复用TDM

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）。
TDM 信号也称为等时信号。
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度

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时分复用可能会造成线路资源的浪费

统计时分复用

STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率

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波分复用

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号

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码分复用

常用的名词是码分多址 CDMA
各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现

特点

• 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交
• 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1
• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1

数字传输系统

与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。
目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式

宽带接入技术

ADSL

非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务
非对称：下行带宽远远大于下行带宽