【計算機網絡】物理層基礎知識

Chapter2:物理層 重點總結和記錄

物理層

考慮的是怎樣才能在鏈接各類計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。

物理層的做用是要儘量地屏蔽掉不一樣傳輸媒體和通訊手段的差別。

用於物理層的協議也常稱爲物理層規程

物理層的主要任務：

描述爲肯定與傳輸媒體的接口的一些特性：

• 機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。
• 電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
• 功能特性 指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
• 過程特性 指明對於不一樣功能的各類可能事件的出現順序。

重要概念

數據(data)——運送消息的實體。（消息是具體的信息）

信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現。

模擬信號 (analogous signal) ——表明消息的參數的取值是連續的。例如，當咱們說話時，聲音大小是連續變化的，所以運送話音信息的聲波就是模擬數據，電話線上的話音信號是模擬信號。

數字信號 (digital signal)——表明消息的參數的取值是離散的。例如計算機上的網卡發送的0100110形式的數據是數字數據，其對應的在電纜上傳遞的信號是數字信號。

單向通訊（單工通訊）——只能有一個方向的通訊而沒有反方向的交互。

雙向交替通訊（半雙工通訊）——通訊的雙方均可以發送信息，但不能雙方同時發送(固然也就不能同時接收)。

雙向同時通訊（全雙工通訊）——通訊的雙方能夠同時發送和接收信息。

基帶信號（即基本頻帶信號）

​ 來自信源的信號。

​ 基帶信號是離散的，即數字信號，就是將數字信號1或0直接用只包含兩種不一樣電壓的波形來表示，而後送達線路上去。波形中只包含兩種或幾種不一樣的離散電壓值

​ 舉例：計算機輸出的各類文字圖像的數據信號都是基帶信號。

​ 不利之處：基帶信號每每包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻份量或直流份量 ，必須對基帶信號進行調製。

調製分類：

• 基帶調製：僅對基帶信號的波形進行變換，使它可以與信道特性相適應。變換後的信號仍然是基帶信號（依然是數字信號）。把這種過程稱爲編碼 (coding) 。
• 帶通調製：使用載波 (carrier)進行調製，把基帶信號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換爲模擬信號，這樣就可以更好地在模擬信道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內可以經過信道） 。通過載波調製後的信號叫作帶通訊號  。

通常來講，基帶調製就叫編碼，而提起調製，指的是帶通調製。

傳輸媒體

主要是導引型和非導引型傳輸媒體。

導引型：

雙絞線：

分爲無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線。

特色：價格便宜，抗干擾性差，既可用來傳輸模擬信號又可用來傳輸數字信號。

同軸電纜：

通常用50歐姆和75歐姆。

同軸電纜具備很好的抗干擾特性，被普遍用於傳輸較高速率的數據 )，也是一樣能夠數字信號/模擬信號。

光纜：

光纖是光纖通訊的傳輸媒體。分爲多模光纖和單模光纖。

傳輸帶寬遠遠大於目前其餘各類傳輸媒體的帶寬。

非導引型：

保密性差。

主要是短波和微波通訊：

短波通訊：

主要是靠電離層的反射，但短波信道的通訊質量較差。

微波通訊：

無線電微波通訊在數據通訊中佔有重要地位

微波在空間主要是直線傳播。

微波通訊主要是基站直視和衛星通訊，抗干擾性好。

藍牙技術特徵——跳頻技術：安全。

複用 ：

指容許用戶使用一個共享信道進行通訊，下降成本，提升利用率。

頻分複用 FDM ：全部用戶在一樣的時間佔用不一樣的帶寬資源（請注意，這裏的「帶寬」是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。

時分複用 TDM：是將時間劃分爲一段段等長的時分複用幀（TDM 幀）。每個時分複用的用戶在每個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。每個用戶所佔用的時隙是週期性地出現（其週期就是 TDM 幀的長度）。TDM 信號也稱爲等時(isochronous)信號。時分複用的全部用戶是在不一樣的時間佔用一樣的頻帶寬度。

時分複用可能會形成線路資源的浪費 。

統計時分複用 STDM ：STDM 幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙。所以統計時分複用能夠提升線路的利用率。

波分複用就是光的頻分複用。使用一根光纖來同時傳輸多個光載波信號。

碼分複用 CDM ：碼分多址 CDMA

這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜相似於白噪聲，不易被敵人發現。

碼片序列(chip sequence) :

每個比特時間劃分爲 m 個短的間隔，稱爲碼片 (chip)。

每一個站被指派一個惟一的 m bit 碼片序列，如發送比特 1，則發送本身的 m bit 碼片序列。如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。 計算中將0用-1表示。

每一個站分配的碼片序列不只必須各不相同，而且還必須互相正交 (orthogonal)。

在實用的系統中是使用僞隨機碼序列。

信道中的數據是各站發送的數據的疊加。

兩個不一樣站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規格化內積 (inner product) 等於 0

任何一個碼片向量和該碼片向量本身的規格化內積都是 1 。

任何一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1。

何一個碼片向量和其餘碼片的向量或其餘碼片反碼的向量的規格化內積都是0。

設某一站接收到的各站發來的碼的疊加值爲: M(M1,M2,M3,…Mm), 求S站發送何數據 ：S·M，若爲1則S發送的是1，若爲-1則S發送的是0，若爲0則S並未發送數據。

上面是模擬傳輸系統，下面：

數字傳輸系統

與模擬通訊相比，數字通訊不管是在傳輸質量上仍是經濟上都有明顯的優點。

脈衝編碼調製

脈衝編碼調製就是把一個時間連續，取值連續的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數字信號後在信道中傳輸。

對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化。

抽樣定理：

在進行模擬/數字信號的轉換過程當中，當抽樣頻率大於信號中最高頻率的2倍時，抽樣以後的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。

量化：

幅度上仍連續的抽樣信號進行幅度離散，即指定M個規定的電平，把抽樣值用最接近的規定電平表示的過程稱爲量化 。這有限個電平稱爲量化電平。

與抽樣的關係：抽樣是把一個時間連續信號變換成時間離散的信號，而量化則是將取值連續的抽樣變成取值離散的抽樣值序列。

量化噪聲：量化產生的量化偏差

舊的數字傳輸系統存在着許多缺點 ：

• 速率標準不統一

• 不是同步傳輸

異步通訊與同步通訊 ：

異步通訊：

異步通訊是指通訊的發送與接收設備使用各自的時鐘控制數據的發送和接收過程。爲使雙方的收發協調，要求發送和接收設備的時鐘儘量一致 。

異步通訊的特色：不要求收發雙方時鐘的嚴格一致，實現容易，設備開銷較小，但每一個字符要附加2～3位用於起止位，各幀之間還有間隔，所以傳輸效率不高。異步通訊是以字符（幀）爲單位進行傳輸，字符與字符之間的間隙（時間間隔）是任意的，即字符之間是異步的，但同一字符內的各位是同步的。

同步通訊：

同步通訊時要創建發送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到徹底同步。此時，傳輸數據的位之間的距離均爲「位間隔」的整數倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關係，也保持字符同步關係。發送方對接收方的同步能夠經過兩種方法實現：外同步和自同步。左圖和右圖：

同步光纖網 SONET 和同步數字系列 SDH：

同步光纖網 SONET (Synchronous Optical Network)  的各級時鐘都來自一個很是精確的主時鐘。 n爲光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構，

同步數字系列 SDH： 通常認爲 , SDH 與 SONET 基本相同。我國採用的是SDH標準。

我國數字同步網SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字體系），主要技術：多基準鍾，分區等級主從同步方式。

SONET / SDH 標準的意義 ：

• 使不一樣的數字傳輸體制在 STM-1 等級上得到了統一。
• 第一次真正實現了數字傳輸體制上的世界性標準。
• 已成爲公認的新一代理想的傳輸網體制。
• SDH 標準也適合於微波和衛星傳輸的技術體制。

寬帶接入技術

ADSL技術

用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它可以承載寬帶業務。 ADSL 技術就把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。

DSL 就是數字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。

上行和下行帶寬作成不對稱的。上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。

ADSL技術特色 ：

• 充分利用已鋪設的大量市話雙絞銅線，保持資源。
• 多采用先進的DMT線路編碼方式，抗串音和其餘干擾的能力較強，並可根據線路長度，噪聲狀況自適應地選擇傳輸速率。
• 在一條線路上可同時傳送傳統的POTS業務和ADSL業務，而且互不影響。
• 因爲每根雙絞線由每一個ADSL用戶獨有，於是ADSL帶寬也由每一個ADSL用戶所獨佔，而非帶寬共享。
• 因爲ADSL的傳輸可靠性相對較低，且傳輸速率有限，於是主要適用於家庭用戶和中小型商業用戶。
• ADSL所能獲得的最高數據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關，實際上不大。

ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調制解調器。我國目前採用的方案是離散多音調 DMT (Discrete Multi-Tone)調製技術。這裏的「多音調」就是「多載波」或「多子信道」的意思。

DMT技術：

DMT 調製技術採用頻分複用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分爲許多的子信道，其中 25 個子信道用於上行信道，而 249 個子信道用於下行信道。

每一個子信道佔據 4 kHz 帶寬（嚴格講是 4.3125 kHz），並使用不一樣的載波（即不一樣的音調）進行數字調製。這種作法至關於在一對用戶線上使用許多小的調制解調器並行地傳送數據。

第二代ADSL：

經過提升調製效率獲得了更高的數據率。

光纖同軸混合網 HFC （Hybrid Fiber Coax ）：

nHFC 網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。

HFC網的主幹線路採用光纖 。n在光纖結點如下就是同軸電纜。

HFC 網具備雙向傳輸功能，擴展了傳輸頻帶。

FTTx 技術 ：

nFTTx 是一種實現寬帶居民接入網的方案，表明多種寬帶光纖接入方式。

FTTx 表示 Fiber To The…（光纖到…用戶、小區、路邊..）