计算机网络第七版谢希仁 - 第二章物理层 - 学习笔记

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发布时间：2019-05-23

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本章最重要的内容

物理层的任务

几种常用的信道复用技术

几种常用的宽带接入技术主要是ADSL和FTTx

2.1 物理层的基本概念

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，而不是指具体的传输媒体。

可以将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，即：

机械特性：指明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。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现电压的范围。

功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部多采用并行传输方式，但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输，因此物理层还要完成传输方式的转换。

2.2 数据通信的基本知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)。源系统一般包括源点和发送器，目的系统一般包括接收器和终点。

通信的目的是传送消息，数据是运送消息的实体，信号则是数据的电气或电磁的表现。根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：模拟信号(或连续信号)和数字信号(或离散信号)。离散数值的基本波形就称为码元。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

从通信的双方信息交互的方式来看，有以下三种基本方式：

单向通信，又称为单工通信；

双向交替通信，又称为半双工通信；

双向同时通信，又称为全双工通信。

来自信源的信号常称为基带信号(即基本频带信号)，基带信号往往包含有较多的低频成分甚至有直流成分，为了能在信道传输，必须对基带信号进行调制。调制可分为两大类，基带调制(编码)和带通调制。

(1)常用编码方式：

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。

曼彻斯特编码：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。但也可反过来定义。

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，而位开始边界没有跳变代表1。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。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，而曼彻斯特编码具有自同步能力。

(2)基本的带通调制方法

调幅(AM)：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。

调频(FM)：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。

调相(PM)：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

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

2.2.3 信道的极限容量

限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

信道能够通过的频率范围。在任何信道中，码元的传输速率都是有上限的，超过这个上限会产生严重的码间串扰问题，使接收端对码元的识别成为不可能。

信噪比。所谓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，即：信噪比(dB)= $10*log{_{10}}^{(S/N)}$ (dB) 。

1948年，信息论创始人香农推导出了著名的香农公式：

$C=W log{_{2}}^{(1+S/N)}(bit/s)$

C为信道的极限信息传输速率，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S，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。

2.3 物理层下面的传输媒体

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道。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

2.3.1 导引型传输媒体

（1）双绞线（UTP）。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线。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。这就是屏蔽双绞线，简称为STP。

（2）同轴电缆。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

（3）光缆。光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点：

传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

抗雷电和电磁干扰性能好。

无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

体积小，重量轻。

2.3.2 非导引型传输媒体

利用无线电波在自由空间的传播可以较快的实现多种通信，自由空间就被称为非导引型传输媒体。无线传输可使用的频段很广。

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

最基本的复用就是频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）和时分复用TDM（Time Division Multiplexing）。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。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。

在进行通信时，复用器总是和分用器成对的使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速通道。

统计时分复用STDM是一种改进的时分复用，它能明显的提高信道的利用率。集中器常使用这种统计时分复用。

可以看出统计时分复用在输出线路上，一个用户所占用的时隙并不是周期性的出现，这种称为异步时分复用，而普通的时分复用称为同步时分复用。由于STDM帧中的时隙并不是固定的分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的住址信息。

2.4.2 波分复用

波分复用WDM就是光的频分复用。随着技术的发展，开始使用密集波分复用DWDM这一名词。

2.4.3 码分复用

码分复用CDM，实际上人们更常称为码分多址CDMA。每个用户可以在同一时间使用同一频带进行通信，由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此用户之间不会造成干扰。在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片。

2.5 数字传输系统

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用FDM的模拟传输模式。由于数字通信与模拟通信相比，无论是传输质量还是经济上都有明显优势，目前长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。现代电信网需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络，在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。

早期的数字传输系统存在着许多缺点，主要有以下两个：（1）速率标准不统一（2）不是同步传输。