计算机网络知识点总结-第二章：物理层

0.本章思维导图：

1.物理层的基本概念

物理层的功能：怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异

规程：用于物理层的协议

传输媒体接口的特性：

(1)机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等

(2)电气特性：接口电路的各条线上出现的电压范围

(3)功能特性：某条线上出现某一电平电压的意义

(4)过程特性：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：

数据通信系统划分：源系统、传输系统、目的系统

源系统的内容：

源点：源点设备产生要传输的数据

发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中传输；如调制器

接收器：接收传输系统发送来的信号，并转换成能被目的设备处理的信息；如解调器

终点：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

常用术语：

消息：通信的目的是传送消息，如语音、文字、图像、视频等

数据：是运送消息的实体；使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列

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)：代表消息的参数的取值是离散的

        码元：代表不同离散数值的基本波形

2.2有关信道的基本概念

信道：表示向某一个方向传送信息的媒体
\(\color{red}{*}\)信息交互的方式：

(1)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；只需要一条信道

(2)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，而是一方发送另一方接收，一段时间后可以反过来；两条信道

(3)双向同时通信(全双工通信)：通信双方可以同时发送和接收信息；两条信道；传输效率最高

基带信号：来自信源的信号；如计算机输出的代表文字或图像的数据信号都是基带信号

调制分类：

基带调制(编码)：仅对基带信号的波形进行变换，使其能与信道特性相适应，变换后的信号仍是基带信号

带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围移到较高频段，并转换为模拟信号，变换后的信号称为带通信号

常用编码方式：

(1)不归零制：正电平代表1，负电平代表0

(2)归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

(3)曼切斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1；也可反过来定义

(4)差分曼切斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1

基本的带通调制方法：

(1)调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化；如0或1分别对应无载波或有载波输出

(2)调频：载波的频率随基带数字信号而变化；如0或1分别对应频率f1或f2

(3)调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化；如0或1分别对应于相位0度或180度

2.3信道的极限容量

限制码元在信道上传输速率的因素：

(1)信道能够通过的频率范围：

    码间串扰：信号中高频分类受到衰减，在接收端收到的波形前沿和后沿不那么陡峭，每个码元所占时间界限不明确，失去了码元间的清晰界限的现象

    奈氏准则：在任何信道，码元传输的速率是有上限的，超过上限就会出现严重的码间串扰，使接收端对码元无法识别

(2)信噪比：

    定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记作S/N

             

    香农公式：信道的极限信息传输速率C是

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

        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：只要信息传输速率低于信道的极限速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输

3.物理层下面的传输媒体

传输媒体：是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

传输媒体的分类：

引导型：电磁波被引导沿着固体媒体传播

    双绞线

    同轴电缆

    光纤

非引导型：电磁波无线传输

4.信道复用技术

$\color{red}{*}$4.1频分复用、时分复用、统计时分复用

复用：允许用户使用一个共享的信道进行通信，降低成本，提高利用率

频分复用：

原理：用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

特点：所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽

时分复用：

原理：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)，每个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙

特点：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

统计时分复用：

原理：使用STDM帧来传送复用的数据，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数；各用户有数据就发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，没有数据的缓存就跳过，当一个帧放满即发送，因此STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙

          某用户占用的时隙不是周期性出现的，因此统计时分复用又称为异步时分复用；而时分复用又称为同步时分复用

4.2波分复用

波分复用：

原理：就是光的频分复用，使用同一根光纤同时传输多个光载波信号

4.3码分复用

码分复用(码分多址)：

原理：各个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会互相干扰

码片：每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片

工作方式：

    每个站被指派一个唯一的mbit码片，若发送1，则发送自己的m bit码片

                                                           若发送0，则发送该码片的二进制反码

码片实现扩频：由于一个比特可转换成m个比特的码片，因此实际发送数据率提高了m倍

重要特点：每个站的码片必须各不相同，并相互正交

码片正交关系：不同码片正交，就是向量S和T的规格化内积为0，（规格化内积即对应为相乘）

    正交关系的重要特征：任何码片与自己的规格化内积为1，与自己反码的规格化内积为-1

例2-16：共有四个站进行码分多址通信，四个站的码片序列分别为

              A(-1-1-1+1+1-1+1+1)        B(-1-1+1-1+1+1+1-1)

              C(-1+1-1+1+1+1-1-1)        D(-1+1-1-1-1-1+1-1)

              现收到这样的码片:(-1+1-3+1-1-3+1+1)，问哪些站发送了数据，发送的是0还是1

解：

    A站的内积：(-1-1-1+1+1-1+1+1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1

    B站的内积：(-1-1+1-1+1+1+1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1

    C站的内积：(-1+1-1+1+1+1-1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0

    D站的内积：(-1+1-1-1-1-1+1-1)*(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1

    所以A、D站发送了1，B站发送了0，C站没有发送

5.数字传输系统

早期数字传输系统的缺点：

(1)速率标准不一

(2)不是同步传输

现代的传输网络的传输媒体：光纤

同步光纤网(SONET)：各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构

同步数字系列(SDH)：由sonet为基础发展的国际标准

6.带宽接入技术

ADSL技术：非对称数字用户线，将原有的模拟电话线进行改造，使其能够承载宽带业务，将0-4k的低端频谱留给电话使用，将剩余部分给宽带使用，其中上行带宽小于下行带宽

传输距离：与数据率和用户线的线径(粗细)有关

传输速度：与实际用户线的信噪比密切相关

数据率：采用自适应调制技术使用户线能够传输尽可能多的数据，受环境和线路条件影响较大

特点：上行和下行带宽不对称、需要在用户线两端各安装一个调制解调器

第二代ADSL：得到更高的数据率，采用无缝速率自适应技术，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应的调整数据率

光纤同轴混合网(HFC)：是目前覆盖面较广的有线电视网，采用模拟技术，频分复用，主干部分使用光纤，入户部分使用同轴电缆

FTTx技术：是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式

无源光网络PON：为有效利用光纤资源，在光纤干线和用户之间使用无源光网络PON。无源光网络无须配备电源，长期运行和管理成本低。

    最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON

习题

2.1 物理层解决的主要问题：

（1）尽可能屏蔽物理设备和传输媒体

（2）怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

2.2 规程与协议的区别：规程就是指物理层的协议

2.7 假定某信道受奈氏准测限制，最高码元速率为20000码元/s，采用振幅调制，把码元的振幅划分成16个不同等级来传送，求最高能获得的数据率

C=R*log(16)=20000b/s*4=80000b/s

16种状态用4bits表示，码元速率为20000码元/s，每个码元能表示4bits，故答案为20000*4

2.8 假定要用3KHz带宽的电话信道传送64kb/s的数据，试问这个信道应具有多高的信噪比

C=W*log(1+S/N)，其中，W=3khz，C=64kb/s

所以，1+S/N=2^(64/3)，S/N=2.64*10^6，(S/N)=10*log10(2.64*10^6)=64.2db

2.9 用香农公式计算，假定信道带宽为3100Hz，最大信道传输速率为35kb/s，若使最大信道传输速率增加60%，求信噪比S/N应增大多少倍？

C=Wlog(1+S/N)

35000=3100*log(1+S/N)

S/N=2^(350/31)-1=2505

35000*1.6=3100*log(1+x*S/N)

    x=109.396

所以应增大109倍

2.11 假定一种双绞线衰减使0.7db/km，若容许由20db的衰减，试问使用这种双绞线的链路工作距离有多长？如果工作距离要增大到100km，应使衰减降低到多少？

(1) 20/0.7=28.6km

(2) 20/100=0.2db

$\color{red}{*}$2.12 计算工作在1200nm到1400nm之间以及工作在1400nm到1600nm之间的光波的频带宽度,光速为2*10^8m/s

V=V/L1 - V/L2

1200nm~1400nm：带宽=2*10^8/1200*10^-9 - 2*10^8/1400*10^-9=23.8Thz

1400nm~1600nm：带宽=2*10^8/1400*10^-9 - 2*10^8/1600*10^-9=17.86Thz

$\color{red}{*}$2.13 为什么使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

为了实现共享信道、最大限度提高信道利用率

频分、时分、码分、波分