第三章物理层
2017-03-17 08:14:53 0 举报AI智能生成
物理层是计算机网络OSI模型的底层，它负责管理电脑硬件设备之间的通信传输。该层处理位流（bit）的发送和接收，包括电压、线路规格、脉冲、电缆接口、集线器、中继器、网络适配器等。物理层的主要功能是将比特流（bit）从一个节点传送到另一个节点，期间会经由许多物理介质，如双绞线、同轴电缆、光纤等。此外，它也负责检测和纠正数据传输过程中的错误。尽管物理层不涉及数据链路层和网络层的数据格式化和寻址，但它是整个网络通信的基础，没有物理层的存在，其他各层都无法实现有效的数据传输。
作者其他创作
大纲/内容
5.多路复用技术 P86
5.1多路复用基本概念
分类
时分多路复用
频分多路复用
波分多路复用
码分多路复用与正交频分复用
5.2时分多路复用
基本概念：
时分多路复用将信道用于传输的时间划分为若干个时间片，每位用户分得一个时间片，用户在其占有的时间片内使用信道的全部带宽。
同步时分多路复用 P88
每一个时间片都有固定的主人
统计时分多路复用 P88
动态分布时间片（谁急谁用）
5.3频分多路复用
频分多路复用是在一条通信线路上设置多个信道，每个信道的中心频率不相同，各个信道的频率范围互不重叠，这样一条通信线路就可以划分为不同通信频率的多个信道，用于同时传输多路信号。
5.4波分多路复用
波分复用是在一根光纤上复用多路光载波信号，波分复用是光波段的频分多路复用，只要每个信道的光载波频率互不重叠，就可用多路复用方式通过光纤进行远距离传输。
6.同步光纤网SONET与同步数字体系SDH P90
6.1SONET与SDH的基本概念
早期的电话运营商在电话交换网中使用光纤时，时分多路复用（TDM）设备是专用的。并且各个运营商的TMD标准不同。
1985年美国贝尔实验室首先提出了同步光纤网（SONET）的概念。
ITU-T在SONET的基础上制定同步数字体系（SDH）标准，从而统一了国际通信传输速率、接口标准体制。
6.2基本速率标准的制定
T1载波速率
北美的T1载波速率是针对脉冲编码调制PCM的时分多路复用而设计的。
24路数字语音信道，每信道8bit,附加1bit作为帧开始标志位，发送一帧需要125μs。所以，T1载波的数据传输速率为 T1=(193/125)*10^6=1.544（Mbps）
E1载波速率
E1标准是CCITT标准，它将30路数字语音信道和两路控制信道复用在一条通信线路上。
每个信道在一帧中插入8bit数据，一帧传送数据共（30+2）*8=256bit。传送一帧125μs，则E1载波的数据传输速率为 E1 =（256/125）*10^6=2.048Mbps。
6.3SDH速率体系
SDH的复用结构
图见P91
SDH速率体系
STS速率，OC速率,STM速率
OC定义的是光纤上传输的光信号速率。
STS定义的是数字电路接口的电信号传输速率。
STM标准是电话主干线路的数字信号速率标准。
STS速率，OC速率与STM速率对应关系
7.接入技术 P92
7.1接入技术的分类
有线接入
电话交换网接入
有线电视网接入
光纤接入
局域网接入
无线接入
无限局域网接入
无限自组网接入
无限城域网接入
移动通信网接入
7.2ADSL接入技术
数字用户线（DSL）是指从用户家庭，办公室到本地电话交换中心的一对电话线。采用频分复用技术，在电话线路上通信，上网。
特点
1. ADSL在电话线上同时提供电话与Internet接入服务。
2. ADSL提供的非对称宽带特性。
语音信道
上行信道
下行信道
3. ADSL用户端结构。
4. 本地电话局端结构。
ADSL标准是物理层的协议标准。
7.3HFC接入技术
HFC（光纤同轴电缆混合网）将有线电视网络进行双向传输改造，看电视，上网。
特点 P96
7.4光纤接入技术
ADSL与HFC技术特点的比较
主干线路都采用了光纤；不同之处是ADSL用户接入仍然使用电话线，而HFC用户接入使用的是同轴电缆。
ADSL运营商会给用户一个明确的宽带承诺，而HFC运营商一般不会。
新的概念和接入方法：光纤到路边，光纤到小区，光纤到大楼，光纤到办公室，光纤到用户等。
7.5移动通信接入技术
移动通信的主要概念是：接口、信道、移动台与基站。
基站与手机之间是通过广播方式、点-多点方式连接的，一个基站需要通过多个空中接口接收多个手机的信号。
码分多址（CDMA）是手机移动通信中最基本的信道复用方法，它来源于军事扩频通信技术。
1.物理层与物理层协议的基本概念 P63
1.1物理层基本服务功能
理解物理层的服务功能，需要注意以下几个问题
（1）物理层与数据链路层的关系
物理层的主要任务：
保证比特流通过传输介质的正确传输，为数据链路层提供数据传输服务
（2）传输介质与信号编码的关系
物理层的一个重要功能：根据所使用传输介质的不同，制定相应的物理层协议，规定数据信号编码方式，传输速率，以及相关的通信参数。
（3）设置物理层的目的：
屏蔽物理层所采用的传输介质，通信设备与通信技术的差异性，是数据链路层只需要考虑如何使用物理层的服务，而不需要考虑物理层的功能具体是使用了哪种传输介质，通信设备与技术实现的。
1.2物理层协议的类型
（1）基于点-点通信线路的物理层协议
（2）基于广播通信线路的物理层协议
a.有线通信线路
b.无线通信线路
1.3物理层向数据链路层提供的服务
2.数据通信的基本概念 P66
2.1信息，数据与信号
基本概念
（1）信息：文字，语音，信号和视频
（2）数据：信息的二进制编码表示
（3）信号：表征0，1的不同电平或频率等物理量
2.2数据通信方式
数据传输类型
模拟信号
电平幅度连续变化的电信号
数字信号
用两种不同的电平表示0,1比特序列电压跳变的脉冲变化
通信过程采用哪种信号取决于通信线路所允许传输的信号
数据通信方式
串行
表示一个字符的二进制代码按由低位到高位的顺序依次发送的方式
并行
将表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送，每次发送一个字符代码的方式
单工
信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传送方向
半双工
信号可以双向传送，但是必须交替进行
全双工
信号可以同时交替进行
同步技术
收发双方在时间基准上上必须一致
位同步（曼彻斯特编码，差分曼彻斯特编码）
外同步法：同时发送一路数据信号和一路同步时钟信号
内同步法：发送自含时钟编码的数据信号
字符同步
同步传输：将字符组织成组，连续传送，每组字符前加用于同步控制的同步字符SYN
异步传输
每个字符作为一个独立的整体发送
字符间的时间间隔是任意的
为了实现同步，字符前加起始位，后加终止位、
2.3传输介质的主要类型与特性
（1）双绞线
作用：每对导线相互交合
分类：屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线
（2）同轴电缆
结构：内导体，绝缘层，外屏蔽层，外保护层
（3）光钎
典型的光钎传输系统结构
发送端：采用发光二极管作为光源
接收端：使用光电二极管检测波将光信号转化为电信号
光钎传输速率可达Gbps数量级
分类：多模光钎和单模光钎
光缆：多根光钎与其他高强度保护材料组合成光钎
（4）电磁波谱
在不同频率的电磁波中，用与通信的主要有无线，微波，红外和可见光
电磁波有有线，无线方式传播
（5）工业，科学与医药专用ISM频段
（6）蜂窝无线通信
（7）卫星通信
2.4数据编码分类
模拟通信线路
模拟数据编码
数字通信线路
数字数字编码
3.频带传输技术 P78
3.1模拟数据编码方法
（1）模拟通信信道的特点
（2）调制解调器的作用
调制
将发送端的数字信号变换成模拟信号的过程
解调
将接收端的模拟信号还原成数字信号的过程
（3）模拟数据信号编码方法
（1）振幅键控（ASK）
通过改变载波信号振幅来表示数字信号0,1
ASK信号数学表达式 P79
ASK信号实现容易，技术简单，但是抗干扰能力差
（2）移频键控（FSK）
移频键控方法是通过改变载波信号角频率来表示数字信号0,1（角频率w1表示数字1，角频率w2表示数字0）
FSK数学表达式 P79
FSK信号实现容易，技术简单，但是抗干扰能力较差
（3）移相键控（PSK）
移相键控方法是通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1,0
绝对调相（最简单的情况）
如果用相位的绝对值表示数字信号1,0，则称为“绝对调相”
表达式P79
相对调相
如果用相位的相对偏移值表示数字信号1,0，则称为“相对调相”
多相调制
3.2波特率的定义
波特率：
调制速率描述通过模拟线路传输模拟数据信号过程中，从调制解调器输出的调制信号每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是1/s,c称为波特。调制速率也称为波特率。波特率描述的是码元传输的速率。
比特率：
数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps,因此也可以称为比特率。
波特率与比特率的关系
S=B*log2k
4.基带传输技术 P81
4.1基带传输的定义
在数字信道上直接传送基带信号的方法称为基带传输
4.2数字数据编码方式
子主题
非归零码（NRZ）
NRZ码规定用低电平表示数字“0”，用高电平表示数字“1”
带有同步时钟
曼彻斯特编码
规则
（1）每比特的周期T分为前T/2与后T/2两部分
（2）前T/2传送该比特的反码
（3）后T/2传送该比特的原码
高——>底 ：0；低------>高：1；跳变时间差为时钟
差分曼彻斯特编码
研究的原因：
从电路的角度，差分曼彻斯特解码要比曼彻斯特解码更容易实现
在周期开始时有跳变为0，无跳变为1，中间跳变仅提供时钟定时
4.3脉冲编码调制方法
模拟数据数字化的主要方法
脉冲编码调制的工作过程：
采样
量化
编码
调制器，曼彻斯特编码器与PCM编码器的比较 P84
4.4比特率的定义
数据传输速率描述在计算机通信中每秒传送的构成代码的二进制比特数，单位是bps,因此也可以称为比特率。
常用的数据传输速率单位有Kbps(10^3bps),Mbps(10^6bps),Gbps(10^9bps),Tbps(10^12bps)
4.5奈奎斯特准则与香农定理 P85
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