• 计算机网络体系结构——物理层


    物理层的基本概念

    物理层的任务

    连接各种计算机的传输媒体上的传输数据比特流,尽可能屏蔽掉传输媒体与通信手段的差异,让数据链路层更好的工作。其实就是将在光纤、双绞线、电缆等等媒介上传输的数据,使用不同方式传递的数据,能够以尽可能相同的形式传递给数据链路层。可以将其描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性。

    物理层规定接口的四个特性

    1. 机械特性:指明接口所用接线器等物理方面的属性,如形状、尺寸、引脚数目和排列等等。
    2. 电气特性:规定了接口电缆各线上的电压范围。
    3. 功能特性:规定了不同电平电压的意义。
    4. 过程特性:不同电平电压出现代表的各种可能事件出现的顺序。

    信道

    信道指的是数据传输的通路,一般用来表示向某一方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信双方信息交互的方式来看,信道有三种基本方式:单工通信,半双工通信,全双工通信。

    • 单工通信:只能有一个方向的通信,比如收音机、电视广播等等。
    • 半双工通信:通信的双方都可以发送信息,但是同一时刻只能有一方发送。
    • 全双工通信:通信的双方可以同时发送和接收信息。

    调制

    基带信号

    基带信号指的是信源发出的、未经调制的信号。基带信号往往包含了较多的低频分量甚至直流分量,而这些在很多信道上不能传输,因此需要对基带信号进行调制。

    调制的分类

    调制可以分为基带调制和载波调制两种。

    基带调制仅仅对基带信号的波形进行了变换,使它能够与信道特性相适应,由于基带调制仅仅是把数字信号转换为了另一种形式的数字信号,因此大家更倾向于称呼这种调制为编码。

    带通调制是将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。经过载波调制后的信号称为带通信号(仅在一段频率范围内能通过信道)。

    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:位周期中心向上跳代表0,位周期中心向下跳代表1。也可以反过来定义。
    • 差分曼彻斯特编码:在每一位中心处都有跳变。位开始边界有跳变代表0,而位开始边界没有跳变代表1 。

    基本的带通调制方法

    • 调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。
    • 调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化。
    • 调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化。

    限制码元在信道上的传输速率的因素

    1. 信道能够通过的频率范围                                                                                                           在带宽为W(Hz)的低通信道中,若不考虑噪声影响,则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰问题,影响接收端对码元的识别。
    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,记作S/N。通常都使用分贝作为度量单位。根据香农公式可以推导出,信道的带宽或者信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高。但是香农公式也在告诫着工程人员,在有噪声的实际信道中,不论采用多么复杂的编码技术,都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

    物理层下面的传输媒体

    导引型传输媒体

    双绞线

    将两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线,这样做可以减少电磁干扰。常用于电话系统。

    同轴电缆

    由内导体、绝缘层、外导体屏蔽层以及绝缘保护层组成。由于外导体屏蔽层的存在,同轴电缆具有很好的抗干扰特性。

    光缆

    光纤通信利用光导纤维传递光脉冲进行通信。光纤分为多模光纤和单模光纤两种。在多模光纤中,光线通过不断的全反射来前进,因此可以存在多条入射角度不同的光线,但是也会因为不断的全反射,会造成信息失真,因此多模光纤只适合于近距离传输,想要远距离传输就必须得要中继器的支持。在单模光纤中,光纤的直径只有光的一个波长那么小,可以使光线一直向前传播,但是制作成本高昂,且在其中传递的光线必须由半导体激光器产生,不能使用较便宜的二极管。

    光纤的特点:(1)传输损耗小,中继距离长,有利于远距离传输。

    (2)抗雷电和干扰性能好。

    (3)无串音干扰,保密性好。

    (4)体积小,重量轻。

    除此之外,还存在着无线电微波通信、短波通信、卫星通信等等非导引型传输媒体。

    信道复用技术

    频分复用

    频分复用(FDM)的各路信号在同样的时间占据不同的带宽资源。使用了频分复用技术,可以让N个用户共使用一个频带,这种方式称为频分多址接入(FDMA)简称为频分多址。

    时分复用

    时分复用(TDM)的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。使用了时分复用技术,可以让多个用户各使用一个时隙,这种方式称为时分多址接入(TDMA)简称为时分多址。

    波分复用

    波分复用(WDM)就是光的频分复用,可以在一根光纤上复用多路光载波信号。

    码分复用

    码分复用(CDM)各个用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各个用户之间不会造成干扰,码分复用有很强的抗干扰能力,起初用于军事通信,但是随着技术的进步,现已广泛用于民用的移动通信中。

    宽带接入技术

    宽带的标准

    宽带并没有一个准确的标准,因为随着技术的进步,宽带的标准也在不断的提高。

    ADSL技术

    非对称数字用户线(ADSL)技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线的改造。0~4kHz留给电话用户,更高的、原来没用上的频段用于网络。这是一项基于电话线的技术,这项技术在欧洲应用广泛,但是在我国并不多见。

    离散多音调(DMT)技术

    采用频分复用,相当于在一根用户线上用许多小解调器并行传递数据。由于当时数据单项流动性很明显(当时网络很昂贵,常常用于下载而非上传),因此上行信道远小于下行信道。

    FFTx技术

    FFTx,即Fiber To The ……。有FFTC光纤到路边、FFTB光纤到楼、FFTH光纤入户等等,在我国,光纤接入占据了互联网宽带接入中的绝对优势。

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