二、物理层
物理层定义的标准
物理成解决如何在链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
物理层的主要任务,确定传输媒体的接口的一些特性,包括:
机械特性:接口形状、大小、引脚数量
电器特性:例如规定电压范围是(-5V~5V)
功能特性:例如规定:-5V为0、5V为1
过程特性:也称规程特性,规定建立连接时相关部件的工作步骤
数据通信基础知识
相关术语
通信的目的是传输消息
- 数据(data):运送消息的实体
- 信号(signal):数据的电气或电磁表现
- 模拟信号
- 数字信号
- 码元(code):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
- 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字,这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔称为码元长度,1码元可以携带n bit信息量(数字化编码)
- 用码元数值来表示多进制数:
- 0V-000
- 1V-001
- 2V-010
- …
- 用码元数值来表示多进制数:
- 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字,这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔称为码元长度,1码元可以携带n bit信息量(数字化编码)
信道的几个基本概念
信道一般表示向一个方向传送信息的媒体,平常所说的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道
- 单工通信
- 半双工通信
- 全双工通信
基带信号(baseband)和带通信号(band pass)
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- 基带信号(即基本频带信号)————来自信号源的信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号,比如我们的声波就是基带信号
- 带通信号————把基带信号经过载波调制后,把信道的频率范围搬移到较高的频段,以便在信道中传输(即仅在一定的范围内能够通过信道)
因此较近的范围内计算机网络都采用基带传输。如计算机到显示器、打印机等外设
对基带数字信号的几种调制方法
几种常用编码
-
单极性不归零码
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双极性不归零码
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单极性归零码
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双极性归零码
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曼彻斯特编码
- 差分曼彻斯特编码
两条信号之间为一比特
信道的极限容量
奈氏准则
在任何信道中,即使没有电磁干扰,码元传输的速率也是有上限的,否则就会出现码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即使别)成了不可能
信噪比:S/N
极限、无差错的信息传输速率C
信道的极限传输速率C可表达为:
- W 为信道的带宽(以Hz为单位)
- 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
只要降低传输速率就能够实现无差错传输
奈氏准则和香农公式的应用范围
物理层下面的传输媒体
导向传输媒体
导向传输媒体中,电磁波沿着固体媒体传播
双绞线
-
屏蔽双绞线STP
-
无屏蔽双绞线UTP
同轴电缆
- 50欧同轴电缆:用于数字传输,即基带同轴电缆
- 75欧同轴电缆:用于模拟传输,即宽带同轴电缆
网线
- 直通线:具体的线序制作方法是:双绞线夹线顺序是两边一致,统一都是:1:白橙、2:橙、3:白绿、4:蓝、5:白蓝、6:绿、7:白棕、8:棕。两端都有同样的线序且一一对应。这就是100M网线的做线标准,即568B标准
- 这种类型的以太网电缆用来实现下列连接(同类设备一般无法用直通线连接):
- 主机到交换机或集线器
- 路由器到交换机或集线器
交叉电缆
- 各种同类设备相连
- 集线器到交换机
- 路由器直接到主机
光纤
- 单模光纤:只能传播一种电磁波模式
- 多用在电视网络中,传播特性好,带宽可达10GHZ
- 多模光纤:可以传播多个电磁波模式
非导向传输媒体
无限传播
无线传播使用的频段很广
- 短波通信主要靠电离层反射,通信质量较差
- 微波在空间主要是直线传播
- 地面微波接力通信
- 卫星通信
电信领域使用的电磁波频谱
物理层设备——集线器HUB
特性
- 信号放大,重发,目的是扩大网络的传输范围
- 不具备信号定向传输能力
信道复用技术
频分复用PDM
频分复用分所有用户在同样的时间占用不同的宽带资源(这里的宽带指的是频率宽带,不是数据发送速率)
接收端收到信号后使用对应频率进行过滤再进行解调
每次频分复用成一个组,多个组再次进行频分复用
时分复用TDM
每组数据是一个TDM桢,各个数据再TDM桢中位置不变
时分复用可能造成线路资源浪费
统计时分复用
需要在每个数据中添加标记,以便接收方进行识别
波分复用
光的频分复用
数字传输系统
广域网间的数据传输
脉码调制PCM:最初是为了电话局之间的中继线上传送多路的电话
PCM有两个互不兼容的国际标准
- 北美的24路PCM(T1)速率:1.544Mb/s
- 欧洲的30路PCM(E1)速率:2.048Mb/s 我国采用的E1
E1:把32路语音信号进行时分复用
宽带接入技术
ADSL:非对称用户数字线路(使用电话线接入)
xDSL(用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造)
标准模拟电话信号的频率被限制在300~3400Hz的范围内,但用户先本身可以通过的信号频率仍然超过1MHz
xDSL技术就是把0~4KHz低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用
DMT调制技术
采用频分复用的方法,把高端频谱划分为多个子信道。其中25个上行子信道(上传),249个下行子信道(下载)
ADSL接入机制
光纤同轴混合网HFC(兼容原本已经安装了同轴的用户)
- 具有距离限制
- 每个家庭需要安装一个用户接口盒(一个接电视、一个解调制解调器接电脑)
HTC优点
- 具有很宽的频带
- 能够利用已经由相当大的覆盖面的有线电视网
FTTx技术(不用猫上网)
- 光纤到家———FTTH
- 光纤到大楼——FTTB
- 光纤到路边——FTTC