计算机网络——谢希仁

第二章物理层

2.1 物理层的基本概念

1. 物理层的作用是屏蔽传输媒体和通信手段的差异，连接各种计算机的传输媒体上的传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
2. 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：
   ①机械特性
   ②电气特性
   ③功能特性
   ④过程特性
3. 用于物理层的协议常称为物理层规程(procedure)。
4. 数据在计算机内部多采用并行传输方式，数据在通信线路(传输媒体)上的传输方式一般都是串行传输。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

1. 一个数据通信系统可划分为三大部分：
   ①源系统(或发送端、发送方)：源点又称源站或信源，发送器。
   ②传输系统(传输网络)
   ③目的系统(接收端，接收方)：接收器，终点又称目的站或信宿。
2. 常用的术语：
   ①信息(message)：通信的目的是传送信息。
   ②数据(data)：是运送信息的实体。
   ③信号(signal)：数据的电气或电磁的表现。
   ④码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
3. 信号分为两大类：模拟信号或连续信号，数字信号或离散信号。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

1. 信道(channel)：信道和电路并不等同，信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一个发送信道和一条接收信道。
2. 通信的三种基本交互方式：
   ①单向通信，又称单工通信
   ②双向交替通信，又称半双工通信
   ③双向同时通信，又称全双工通信
   注：有时“单工”指的是“双向交替通信”。
3. 基带信号：来自信源的信号，即基本频带信号。
4. 调制(modulation)：许多信道并不能传输低频分量或直流分量，为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。调制可分为两类：
   ①基带调制：基带调制的这一过程也可以称为编码(coding)，仅仅对基带信号的波形进行交换，使它能够与信道特性相适应。交换后的信号仍然是基带信号。这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号。
   ②带通调制：调制则需要使用载波(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，这样能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号，而使用载波调制称为带通调制。
5. 常用编码(基带调制)方式
   ①不归零制。
   ②归零制
   ③曼切斯特编码
   ④差分马切斯特编码
   
6. 基带的带通调制方法：
   ①调幅AM
   ②调频FM
   ③调相PM

2.2.3 信道的极限容量

1. 限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：
   ①信道能够通过的频率范围：
   码间串扰：如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。
   奈氏准则：奈奎斯特(Nyquist)给出了假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
   在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。
   ②信噪比：信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB)。
   香农公式：信道的极限信息传输速率C是 C = W log2(1+S/N) (bit/s)。
   信道的宽带或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
   用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.3 物理层下面的传输媒体

1. 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。
2. 传输媒体可分为两类：①导引型传输媒体；②非导引型传输媒体。

2.3.1 导引型传输媒体

1. 双绞线：双绞线也称为双扭线。把两把互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。这段从用户电话到交换机的双绞线称为用户线或用户环路。
   屏蔽双绞线STP：为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。无屏蔽双绞线UTP。
2. 同轴电缆：同轴电缆由内导体同质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。
3. 光缆

2.3.2 非导引型传输媒体

无线或红外或大气激光。

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用喝统计时分复用

1. 复用(mulitiplexing)是通信技术中的基本概念。
2. 最基本的复用就是频分复用FDM和时分复用TDM
3. 频分复用，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。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
4. 时分复用：时分复用是将时间划分为一段段等长的时分复用帧。每一时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。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。
5. 在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer)成对地使用。
6. 统计时分复用STDM是一种改进的时分复用，它能够明显地提高信道的利用率。
7. 集中器(concentrator)常使用这种统计时分复用。
8. 统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。
9. 统计复用又称为异步时分复用。
10. 时分复用又称为同步时分复用。

2.4.2 波分复用

1. 波分复用WDM就是光的频分复用。
2. 密集波分复用DWDM

2.4.3 码分复用

1. 码分复用CDM是另一种共享信道的方法。
2. 码分多址CDMA
3. 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。
4. 码分复用最初用于军事通信，因为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。
5. 在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。
6. CDMA系统的一个重要特点就是这种*给每一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。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
7. 用数学公式表示码片序列的这种正交关系。令向量S表示站S的码分向量，在令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0。

2.5数字传输系统

1. 数字传输系统存在的最主要的两个缺点：
   ①速率标准不统一。
   ②不是同步传输。
   为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET。
2. 最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM。现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET(美国标准)或同步数字系统SDH(国际标准)。

2.6宽带接入技术

2.6.1 ADSL技术

1. 非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。
2. ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径(用户线越细，信号传输时的衰弱就越大)。
3. ADSL在用户线(铜线)的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的方案时离散多音调DMT调制技术。
4. ADSL不能保证固定的数据率。
5. 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，用户线，用户家中的一些设施。
6. ADSL调制解调器又称为接入端接单元ATU。

2.6.2 光纤同轴混合网(HFC网)

在有线电视网的基础上开发的。

2.6.3 FTTx技术

1. 出现了多种宽带光纤接入方式，称为FTTx，表示Fiber To The…。
2. 为了有限地利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛使用无源光网络PON。无源光网络无须配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。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。