二、物理层

学习物理层重点是了解概念，不用去深入研究

摘要：

  • 物理层基本概念

  • 有关数据通信的重要概念

  • 各种传输媒体的主要特点（传输媒体本身不属于物理层的范围）

  • 几种常用的信道复用技术

  • 数字传输系统的简单介绍

  • 几种常用宽带的接入技术

物理层基本概念：

首先强调，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，不是指传输媒体。

由于计算机网络中，硬件设备、传输媒体的种类非常多，通信手段也有许多不同方式。物理层的任务就是尽可能的屏蔽掉这些差异，使数据链路层感觉不到这些差异，这样数据链路层就能专心完成它的任务了

上面说尽可能屏蔽掉这些差异，也就是说没完全屏蔽掉，数据链路层还会对物理层的一些差异作兼容；

其实主要任务是怎样把比特流传输的又好又快还要有向上的一致性；

物理层的具体工作内容就是处理与传输媒体的接口有关的一些特性：

  1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数和排列，等等。平时常见的各种接插件都有严格的规定
  2. 电气特性：指明接口电缆的各条线上出现的电压范围
  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：指明不同功能的各种可能事件的出现顺序

例如：

数据在计算机内是并行传输，但在数据通信线路上一般都得是串行传输（主要是并行太费线材了贵），所以物理层还得完成并行转串行（比如八条车道上的汽车都汇聚到一条车道上行驶）

总结：

因为物理连接的方式有很多（点对点，多点连接，广播连接），传输媒体种类也很多（架空明线，双绞线，对称电缆，同轴电缆，光缆，各种波段的无线信道），所以就会有很多具体的物理层协议来做处理

有关数据通信的重要概念：

下图为两个计算机经过普通电话机的连线，再经过公用电话网进行通信。

调制解调器：把信源的比特转成能在传输系统中传输的信号（还能转回来）

  • 源点：又叫源站或“信源”，我们的PC就是一种信源。

  • 发送器：把信源（PC）产生的数字比特流转换成光电信号才能在传输系统进行传输

    典型的发送器就是调制器，现在调制解调器（包含了调制器和解调器）都内置PC中了

  • 接收器：接收信号，转换成目的设备（PC）能使用的数字比特

  • 终点：就是设备，比如PC，路由器等都可作为终点

  • 传输系统：可能是简单的传输线，也可能是复杂的网络系统

数据和信号：

信号是数据的电气或电磁的表现

信号分两大类：

模拟信号：连续信号

数字信号：离散信号

在使用时间域（时域）的波形表示“数字信号”时，则代表不同的离散数值的基本波形就是码元。

在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态

电路和信道：

电路和信道并不等同，信道——表示向某一方向传送信息的媒体。因此一条通信电路包含一条发送信道和一条接收信道

信道从通信双方信息交互的方式来看，有三种分类：

  • 单向通信：单工通信——只能我说你听

  • 双向交替通信：半双工通信——我说一句，你说再说一句，你听完，我再听

  • 双向同时通信：全双工通信——我和你可以同时说话，同时听

有时人们也用“单工”这个名词表示“双向交替通信”

基带信号：来自信源的信号——基本频带信号

像计算机输出的各种文字和图像声音信号都是基带信号。但是基带信号往往包含较多低频成分，甚至直流成分，而许多信道不能传输这种低频分量或直流分量。所以必须对基带信号进行——调制

比喻一下：我脑子里的想法只有我自己知道，如果其他人没有读心术能直接读取我的脑电波的情况下，他要想知道我的想法，只能是我把脑子里的数据转换一下（说或者写）他才能知道我想的是啥。计算机内部的信号就好比人的脑电波，一般情况下传播不出去，所以只能通过一些手段转换下这些数据，再传送。

调制分两类：

  • 基带调制（编码）：仅仅对波形进行变换，使它能与信道特性相适应，变换后仍是基带信号

    由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种另一种形式的数字信号，因此也叫编码

  • 带通调制：使用载波进行调制，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。

    这样能更好的在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

下面详细介绍下基带调制（编码）和 带通调制

常见编码方式：不归零制、归零制、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

  • 不归零制：正电平代表1，负电平代表0
  • 归零制：正脉冲代表，负脉冲0
  • 曼彻斯特编码：位周期中心向上跳代表0，向下代表1，但也可以反过来定义
  • 差分曼彻斯特编码：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

从图中信号波形可以看出“曼彻斯特编码”的信号频率比“不归零制”要高。从自同步能力来看，“不归零制”不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（无自同步能力），而“曼彻斯特编码”有自同步能力

基本的带通调制方法：调幅、调频、调相

  • 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。例如：用有无载波来代表1或0

  • 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。例如：用不同频率分别来代表1或0

  • 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如：0、1分别对应相位0°或180°

    上图中调相，波是循环上下运动，假定波最低点就是相位180°，最高点就是相位0°，这样根据相位就可以表示0和1了。

    说白了就是用波的高低点来表示0和1，上图最低点表示1，最高点表示0

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更复杂的多元制的振幅相位混合调制法。例如，正交振幅调制

信道的极限容量

数字通信的优点是：在接收端只要我们能从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信就没有影响

码元的传输速率越高，或信号的传输距离越远，或噪声越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形失真就越严重（仔细理解每个影响波形的因素）

传输速率和速度是什么意思？
速度就是快慢,比如：1m/s。速率呢？用到“率”字的词还有“通过率”，可见“率”就是和个数有关。

速率：应该指的就是我在这1s时间内向信道里传了多少个比特。
速率越大，每秒中向信道中传入的比特就越多，可以想象信道内数据的密度更大了，信号波的频率也就越大。
那么思考下相同的信道质量下，如果传输速率快，信号是不是越容易失真？

假设：1小时内只传一个波形中的正电平（传输速率低），这个时间范围够大了吧？这样信道再怎么被影响，那这1小时内的电平也大部分都是正的吧（因为数据样本足够大）。所以相同的信道下，信号波频率越大，越容易失真，也即传输的距离不能太远，越远受到信
道的干扰就越多

  • 信道能通过的频率范围

    具体的信道中能通过的频率范围是有限的。频率和上面的传输速率正相关。

    如果信号中高频分量在传输时受到衰减，那么接收端收到的波形中，每个码元之间失去了清晰界限，这种现象叫码间串扰，为了避免码间串扰应该限制码元的传输速率。

    在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰

    名词：频带->信号波形频率的范围。信道的频带->信道能通过什么频率范围的信号波

  • 信噪比

    噪声存在于所有电子设备和通信信道中。

    但是噪声的影响是相对的，信号越强，那么噪声影响就越小。因此有了用信噪比来判断对信号的影响

    香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输率就越高。

    香农公式的意义在于：只要信息的传输率低于信道的极限信息传输率，就一定可以找到某种办法实现无差错传输

    名词：带宽->频带。信道的带宽->信道能通过什么频率范围的信号波

如果信道频带宽度确定了，信噪比不能提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有什么办法提高信息传输率？

用编码的方法提高。编码可以让每一个码元携带更多比特的信息量

10101011010101........如果正常传送，每一个码元携带的信息量是1bit

将信号3个bit编为一组会有：101，011，000，110，111，010....共8组不同的排列。可以用不同的调制方法来表示这8组。例如用8种不同的振幅，或8中不同的频率，或8中不同的相位进行调制。

这样一个码元就可以代表3bit信息，一共需要8种码元。信息量提高了3倍

物理层下面的传输媒体

  • 导引型传输媒体：电磁波被导引着在固体（铜线、光纤）中传播
  • 非导引型传输媒体：指自由空间，在这种传输媒体中电磁波的传输称为无线传输

导引型传输媒体

  • 双绞线：两根绝缘铜线绞合在一起，绞合可以减少互相之间的电磁干扰。电话系统使用的最多。从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。通信距离几到十几公里。模拟传输，可通过加上放大器增加传输距离。数字传输，可通过中继器增加传输距离。导线越粗，通信距离就越远。在数字传输时，若速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。

  • 同轴电缆：具有很好的抗干扰性，被广泛用于传输较高速率的数据

  • 光缆：用光导纤维传递光脉冲。有光脉冲相当于1，无光脉冲相当于0。由于光的频率非常高，因此光纤通信系统传输带宽远远大于其他传输媒体。光纤超低损耗。

    • 多模光纤：实际上，只要从纤芯射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可以产生全反射，因此可以存在多条不同角度射出的光线在同一条光纤中传输。这种光纤就叫多模光纤

      光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真。因此多模光纤只适用于近距离传输

    • 单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤

      单模光纤制造成本高，光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用便宜的发光二极管。单模光纤损耗小,在100Gb/s的高速率下可传输100公里而不必使用中继器

非导引型传输媒体

无线通信可以跨越复杂地理，可以实现移动通信。比有线传输成本低

上图LF波段波长是从1km到10km（对应于30kHz-300kHz）

LF：低频、MF：中频（300kHz-3MHz）、HF：高频（3MHz-30MHz）

  1. 短波通信（即高频通信）

    主要是靠电离层的反射，但电离层不稳定使得短波通信质量较差。因此必须使用短波无线电台传送数据时，一般都是低速传输，即速率为几十至几百比特/秒。只有在使用复杂的调制解调技术之后，才能使数据的传输速率达几千比特/秒

  2. 微波通信

    在数据通信中占有很重要的地位

    微波频率范围300MHz-300GHz（波长1m-10cm），但主要使用2-40GHz范围。

    微波在空间主要是直线传播。微波会穿透电离层，不会反射，因此微波使用地面接力通信和卫星通信

  • 微波接力通信

    优点

    • 微波波段频率高，频段范围宽，因此其通信信道的容量很大
    • 因为其他干扰源的主要频谱成分比微波频率低很多，对微波的危害比对短波通信小很多，因而微波传输质量较高
    • 与相同容量和长度的电缆载波比，微波投资小见效快易于跨江河

    缺点

    • 与电缆比微波通信保密性差
    • 大量中继站的维护需要好多人力，有时会受恶劣天气影响，相邻站之间必须直视

  • 卫星通信

    主要的优缺点和微博接力通信差不多。

  1. 无线局域网

    要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府的有关机构许可证，以免互相干扰。但是也有些无线电频段是可以自由使用的，正好可以满足无线局域网的使用需求。现在的无线局域网就使用2.4GHz和5.8GHz频段

几种常用的信道复用技术

复用：大家共享一个信道

实现信道复用需要用到，复用器和分用器

  1. 频分复用、时分复用、统计时分复用

    • 频分复用FDM：用户在分配到一个频带之后，在通信过程中自始至终都占用这个频带，不同的用户使用不同的频带来共用一个信道

    • 时分复用TDM：把一个时间周期划分出来给每个用户使用其中的一小段时间（时隙）来发送数据。就是多个用户轮流发送信息，这些用户使用的都是同样频带宽度。时隙是固定分配的。

    • 统计时分复用STDM：是动态分配时隙，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息。可以看出在输出线路上，某一个用户所占的时隙并不是周期性的出现。因此统计时分复用又被称为异步时分复用，而普通时分复用被称为同步时分复用

      同步异步：同步逻辑是时钟之间有固定的因果关系。异步逻辑是各时钟之间没有固定的因果关系。
      同步传输和异步传输：
      同步传输，①收发双方的时钟要保持一致；②同步通信要求在传输线路上始终保持连续的字符位流，若计算机没有数据传输，则线路上要用专用的“空闲”字符或同步字符填充。③帧的长度可以是很多字节（帧可长）
      异步传输，①收发双方有各自的时钟,两次发送的帧之间的时间间隔是不固定的；②在一个帧内各个位的时间间隔是固定的（每个帧的开始都会有一段比特位用来同步接收方的时钟）；③通常用来传送字符（帧要短），每个帧的长度具体长度看字符集编码

      同步和异步是指的物理层的属性，同步和异步也会对MAC层的封装造成影响（实际上MAC层协议也是针对物理层属性进行设计的）


      假定所有用户都不断向集中器发送数据，那么集中器肯定无法发应付，内部缓存将会溢出，所以集中器能正常工作的前提是各用户都是间歇工作。
      由于统计时分复用的时隙不是固定分配给某个用户，因此每个时隙还必须有用户地址信息
      上图的“集中器“也叫”智能复用器“，他能提供对整个报文的存储转发能力，通过排队的方式使各用户更合理的共享信道，此外许多集中器还可能具有，路由选择、数据压缩、前向纠错等功能。*以上说到的帧和数据链路层的帧完全不是一个概念

  2. 波分复用WDM：就是光的频分复用

  3. 码分复用CDM：是另一种共享信道的方法。实际上人们更常用的名词是CDMA。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。码分复用最开始用于军事通信，因为这种信号有很强的抗干扰性，其频谱相当于白噪声，不易被敌人发现。随着技术进步，CDMA设备的价格和体积都大幅下降因而现在已广泛使用在民间的移动通信中，特别是在无线局域网中。采用CDMA可提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰对通信的影响，增大通信系统的容量，降低手机的平均发射功率，等等。

    下面简述其工作原理：
    在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短间隔，称为码片。通常m的值是64或128。下面的原理说明中，为了简单起见，我们设m为8。
    使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如S站的8bit码片序列是00011011。当S发送比特1时，它就发送序列00011011，当S发送比特0时，就发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1，将写为+1.因此S站的码片序列是（-1-1-1+1+1-1+1+1）。

    ​ 现假定S站要发送信息的速率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片。因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来值得m倍。这种通信方式是扩频通信的一种。扩频通信通常有两大类，一种是直接序列扩频DSSS，如上面所讲的使用码片序列就是这一类。另一种是跳频扩频FHSS。

    ​ CDMA系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。在实用的系统中是使用伪随机序列码

数字传输系统的简单介绍

数字通信和模拟通信相比，无论是传输质量和经济上都有明显的优势，目前，长途干线大豆采用时分复用PCM的数字传输方式。因此现在的电话网中的模拟线路就只剩下用户电话机到市话交换机之间的这一段几公里长的用户线。

现代电信网，除了话音业务还有，视频、图像和各种数据业务，在数字化的同时，光纤开始成长为长途干线最主要的传输媒体。

早期的数字传输系统还存在着主要以下两个缺点：

  1. 速率标准不统一
  2. 不是同步传输

为了解决上述问题，美国1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET。整个的同步网络的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。SONET为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以51.84Mbit/s为基础，现已定义了从51.84Mbit/s一直到9953.280Mbit/s的标准
ITU-T以美国标准SONET为基础，定制出国际标准同步数组系列SDH。一般可认为SDH与SONET是同义词。SONET/SDH定义了标准光信号，规定了波长为1310nm和1550nm的激光源。在物理层定义了帧结构。
SDH/SONET标准的制定，使北美、日本、欧洲这三个地区不同数字传输体制获得了统一。现在SDH/SONET标准已成为公认的新一代理想的传输网体制。

宽带接入技术

用户要连接因特网，必须先连接到ISP，以便获得上网所需IP地址。互联网发展初期用户都是通过电话线上网，这种很慢，经过很多努力也才56kb/s。为了近一步提高，又出现了很多宽带技术进入用户家庭。然而目前“宽带”尚无统一的定义。从宽带接入的媒体来看，有两种类型：有线、无线。下面我们讨论下有线的类型。

ADSL非对称数字用户线：用数字技术对现有的模拟电话用户进行改造，使它能承载宽带数字业务。

虽然模拟电话信号的频带在300-3400Hz，但用户线本身实际可通过的信号频率却超过1MHz。ADSL技术把0-4kHz低端频谱留给传统电话使用，把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用。

由于用户上网时主要是下载，因此ADSL的下行带宽远远大于上行带宽。所以才“非对称”。ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时衰减就越大）。此外ADSL所能得到的最高数据传输速率还与实际的用户线上的信噪比密切相关。

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：

  • 数字用户线接入复用器DSLAM

  • ADSL调制解调器（又被称作接入端单元ATU）

    调制解调器是成对出现的，因此ATU分为ATU-C和ATU-R

  • 分离器

    它利用低通滤波器将电话信号和数字信号分开。

    有一个个人思考：那么多频率的波在同一个传输媒体中传播不能混淆了吗？

    答案是：不会混淆，想象下许多人一起说话，好多声波，只要你想就能区分出来其中某一人说的话

光纤同轴混合网HFC

FTTx技术

posted @ 2021-08-19 00:21  abzor  阅读(420)  评论(0)    收藏  举报