專欄： 計算機網(wǎng)絡復習之路
本章復習內(nèi)容： ??..???
? 物理層的基本概念
? 數(shù)據(jù)通信的基礎知識
? 物理層下面的傳輸媒體
? 信道復用技術(shù)（難點）
? 數(shù)字傳輸系統(tǒng)
? 寬帶接入技術(shù)

好了，有了上一章：計網(wǎng)之概述 復習后的扎實基礎，我們接著復習物理層的相關(guān)知識

復習開始~

1 物理層的基本概念

物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體。

物理層的作用是：盡可能屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異，有助于數(shù)據(jù)鏈路層。

物理層的主要任務為確定與傳輸媒體的接口有關(guān)的一些特性，即：

• 機械特性：指明接口的形狀和尺寸、連接線數(shù)目和排列、固定裝置等。

e.g : 全球通用的水晶頭 。

• 電氣特性：指明在接口的各條連接線上出現(xiàn)的電壓的范圍。

e.g : 如5V ~ 10V的電壓范圍 。

• 功能特性：指明某條連接線上出現(xiàn)的某電壓的意義。

e.g : 如高低電平含義，高電平代表1，低電平代表0 。

• 過程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。（比如在發(fā)送數(shù)據(jù)比特流之前是否要進行時鐘同步）

e.g : 不同功能的的事件順序描述，如信號1100代表同步等 。

2 數(shù)據(jù)通信的基礎知識

數(shù)據(jù)通信的常用術(shù)語：

通信的目的：傳送消息(message)。話音、文字、圖像、視頻等都是消息。

數(shù)據(jù)：運送消息的實體，比如11001001001100111101011011001110……

2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

一個數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可分為三大部分：源系統(tǒng)（或發(fā)送端、發(fā)送方）、傳輸系統(tǒng)（或傳輸網(wǎng)絡）和 目的系統(tǒng)（或接收端、接收方）。

解釋：

源點：源點設備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。

發(fā)送器：通常源點產(chǎn)生的數(shù)字比特流要通過發(fā)送器編碼后才能夠在傳輸系統(tǒng)中進行傳輸。而典型的發(fā)送器就是調(diào)制器。

接收器：接收傳輸系統(tǒng)傳送過來的信號，并把它轉(zhuǎn)換為能夠被目的設備處理的信號。而典型的接收器就是解調(diào)器。

終點：終點設備從接收器獲取傳送來的數(shù)字比特流，并將信息輸出。

2.2 信道的幾個基本概念

信道表示某一個方向上的信息通道（或某一個方向傳送信息的媒體）。一條通信線路往往包含兩條信道（發(fā)送信道和接收信道）。

信息交互的方式：

• 單向通信（單工通信）：只有一個方向的通信而沒有反方向的交互。一條線路，一個信道

• 雙向交替通信（半雙工通信）：通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送（當然也就不能同時接收）。一條線路，兩個信道

• 雙向同時通信（全雙工通信）：通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。兩條線路，兩個信道（傳輸效率最高）

?? ?? ??
1、 信道和通信線路并不是同一個概念。
2、 收音機的無線電廣播是單工通信，對講機工作時使用半雙工通信，電話、計算機通信都 是全雙工通信。
3、 半雙工通信是指通信雙方只使用一條通信線路，數(shù)據(jù)可以沿兩個方向傳送（所以是兩個信道）但同一時刻只能有一個方向的通信。若要改變傳輸方向，需由開關(guān)進行切換。半雙工方式要求收發(fā)兩端都有發(fā)送裝置和接收裝置。由于這種方式要頻繁切換方向，故效率低，但可以節(jié)約傳輸線路。

從源點發(fā)出的信號（像計算機輸出的代表各種文件或圖像文件的數(shù)據(jù)信號）常稱為基帶信號（即基本頻帶信號）?；鶐盘柾^多的低頻成分和直流成分，必須進行調(diào)制（modulation）才能在許多信道中傳輸。

調(diào)制分為兩大類。

• 一類是基帶調(diào)制，即僅對基帶信號的波形進行變換，把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為另一種形式的數(shù)字信號。這種過程又稱為編碼(coding)，變換后的信號仍是基帶信號。

• 另一類是帶通調(diào)制，即使用載波(carrier)進行調(diào)制，把基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段，并轉(zhuǎn)換為模擬信號。經(jīng)過載波調(diào)制后的信號稱為帶通信號（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）。

2.3 數(shù)字信號常用的編碼方式

不歸零制：正電平代表1，負電平代表0。

歸零制：正脈沖代表1，負脈沖代表0。

曼徹斯特編碼：位周期中心的向上跳變代表0，位周期中心的向下跳變代表1。

差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。

從信號頻率中可以看出：
§ 曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼產(chǎn)生的信號頻率比不歸零制高。
從 自同步能力中可以看出：
§ 不歸零制不能從信號波形本身中提取信號時鐘頻率（即沒有自同步能力）。
§ 歸零制、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼具有自同步能力。

2.4 基本的帶通調(diào)制方式

§ 調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化。

§ 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化。

§ 調(diào)相(PM)：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化。

一般為了達到更高的信息傳輸速率，必須采用技術(shù)上更為復雜的多元制的振幅相位混合調(diào)制方法。例如：正交振幅調(diào)制 QAM 。

2.5 信道的極限容量

任何實際的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率進行傳送。

碼元傳輸?shù)乃俾试礁?、信號傳輸?shù)木嚯x越遠、噪聲干擾越大或傳輸媒體質(zhì)量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。

碼間串擾：具體的信道所能通過的頻率范圍總是有限的。信號中的許多高頻分量往往不能通過信道。如果信號中的高頻分量在傳輸時受到衰減，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就變的不那么陡峭了，每一個碼元所占的時間界限也不再是很明確的，而是前后都拖了“尾巴”。這樣，在接收端收到的信號波形就失去了碼元之間的清晰界限。這種現(xiàn)象叫做碼間串擾。

為了避免碼間串擾，1924年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。

奈氏準則：在帶寬為W (Hz) 的低通信道中，若不考慮噪聲影響，則碼元傳輸?shù)淖罡咚俾适?W Baud(碼元/秒)。傳輸速率超過此上限，就會出現(xiàn)嚴重的碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。

?? ?? ??
1、這里的單位是 碼元/秒 ，即Baud(波特)。因為波特（Baud）和 比特（bit）是兩個不同的概念。
2 、 可通過編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量，但這樣做會增加碼元的種數(shù)， 在實際有噪聲干擾的信道中，大大增加了解碼的難度。

信噪比 ：

• 實際的信道都是有噪聲的，但噪聲的影響是相對的。如果信號相對較強，則噪聲的影響就相對較小。

• 信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記為S/N。若以分貝(dB)為單位，則信噪比(dB)= 10 log10(S/N)(dB) 。例如當S/N =1000 時，信噪比為30dB 。

香農(nóng)公式 ：

在帶寬受限且有高斯噪聲干擾的信道中，信道的極限信息傳輸速率C = W·log2(1+S/N)(bit/s)

? W為信道的帶寬，單位是 Hz；

? S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率；

? N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率。

? 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信道的極限信息傳輸速率就越高。

? 注意單位是bit/s , 不是碼元/秒。

奈氏準則和香農(nóng)公式的意義 ：

奈氏準則：適用于理想低通信道；激勵工程人員不斷探索更加先進的編碼技術(shù)，使每一個碼元攜帶更多比特的信息量；
香農(nóng)公式：適用于真實信道；告誡工程人員，在實際有噪聲的信道上，不論采用多么復雜的編碼技術(shù)，都不可能突破信息傳輸速率的上限。

隨堂練習：若某低通信道在無噪聲情況下的極限數(shù)據(jù)傳輸速率不小于其在信噪比為30 dB條件下的極限數(shù)據(jù)傳輸速率，則信號狀態(tài)數(shù)至少是多少個 ？

解：設低通信道的帶寬為W(Hz)，由奈氏準則可知，碼元傳輸速率的上限是2W(碼元/s)。假設一碼元攜帶的信息量為n(bit)，則極限數(shù)據(jù)傳輸速率為2nW(bit/s)。

由30=10log10(S/N)可得S/N=1000，由香農(nóng)公式可知極限信息傳輸速率為W·log21001(bit/s)。令2nW ≥ W·log21001，可得2n ≥ log21001，并注意到n為整數(shù)，于是n的最小值為5，信號狀態(tài)數(shù)為=32 。

3 物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體可分為兩大類：

• 導引型傳輸媒體：電磁波被導引沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播。

1、雙絞線

2、同軸電纜

3、光纜

• 非導引型傳輸媒體：指自由空間。在非導引型傳輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。

4 信道復用技術(shù)

復用(multiplexing)是指多個用戶使用一個共享信道進行通信。

頻分復用 FDM(Frequency Division Multiplexing)

概念：將整個帶寬分為多份。用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。

所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬（即頻帶）資源。（這里的帶寬是頻率帶寬不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）

通過頻分復用共享信道也叫作頻分多址FDMA(FrequencyDivision MultipleAccess)。

時分復用 TDM(Time Division Multiplexing)

概念：將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個用戶在每一個TDM 幀中占用固定序號的時隙。（這里的幀和數(shù)據(jù)鏈路層的幀是完全不同的概念）

每一個用戶所占用的時隙周期性地出現(xiàn)，其周期就是TDM 幀的長度。所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

通過時分復用共享信道也叫作時分多址TDMA(TimeDivision Multiple Access)。

---

從下面圖解不難看出時分復用可能會造成線路資源的浪費。

原因：使用時分復用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。

為了能提高線路資源的利用率，就對時分復用進行了改進。

統(tǒng)計時分復用STDM(StatisticTDM)

• STDM幀并不是固定分配時隙的，而是按需動態(tài)的分配時隙，因此統(tǒng)計時分復用可以提高線路的利用率

• 每一個STDM幀中的時隙數(shù)小于用戶數(shù)。

• 當一個幀的數(shù)據(jù)放滿了，就發(fā)送出去。

• 一個用戶所占用的時隙并不是周期性的出現(xiàn)。

波分復用WDM(WavelengthDivision Multiplexing)

波分復用就是光的頻分復用。使用一根光纖來同時傳輸多個載波信號。

碼分復用 CDM(CodeDivision Multiplexing)

通過碼分復用共享信道也叫作碼分多址CDMA (CodeDivision Multiple Access)。

優(yōu)勢：各個用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此之間不會造成干擾,因此廣泛使用在移動通信中，特別是在無線局域網(wǎng)中。

工作原理：

在CDMA 中，每一個比特時間被劃分為m 個短的間隔，每一個間隔稱為一個碼片(chip)。通常m的值是64或128，但為了講述方便，下文取m=8。

使用CDMA 的每一個站被指派一個唯一的m bit 碼片序列：

• 若發(fā)送比特1，則發(fā)送自己的m bit 碼片序列；

• 若發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S站的 8 bit 碼片序列是 00011011。

? 發(fā)送比特 1時，就發(fā)送序列 00011011；

? 發(fā)送比特 0 時，就發(fā)送序列11100100。

?? ?? ??
一般為了運算的方便，將碼片中的0寫為-1，將1寫為+1.
則S站的碼片序列向量為：(–1–1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)。

既然是為了運算方便，那這些碼片序列有什么聯(lián)系嗎？

CDMA系統(tǒng)的一個重要特點就是：每個站的碼片序列各不相同，并且兩兩正交。

公式說明：

令向量S 表示站S 的碼片向量，令T 表示其他任何站的碼片向量。兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S 和 T的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)為0：

光看公式是不行的，要手動計算一下才行。

---

例如：向量S 為(–1–1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T為(–1–1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。

把數(shù)據(jù)帶入公式中，S*T=[1+1-1-1+1-1+1-1] /8 = 0 , 所有S和T正交。

---

通過正交關(guān)系這一個重要的特性，我們還能推出其他重要關(guān)系：

1、任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積值都是1。

2、一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值都是-1。

3、如果一個“碼片向量S”和 另一個“碼片向量T”是正交，那么就會有如下重要的性質(zhì)：

• S 和 T 正交

• S 和 “T 的反碼”正交

• “S 的反碼”和 T正交

• “S 的反碼”和“T 的反碼”正交

---

這些性質(zhì)都是十分重要的，這里給出實際樣例圖闡述~

解釋：

那么，在接收端要想得到S站的數(shù)據(jù)碼元，就要規(guī)格化內(nèi)積S * (Sx + Tx) 。

而S * (Sx + Tx) = S * Sx + S * Tx = S * Sx + 0 = S * Sx 。

根據(jù)前面的性質(zhì)，S和 Tx 規(guī)格化為0，如果Sx是S 的反碼，則規(guī)格化為-1，對應“0”比特。如果Sx 和 S相同，則規(guī)格化為 +1，對應“1”比特。

用實際數(shù)據(jù)在來計算一下，不然光講可能不太懂~

S:(-1-1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),
Sx:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),(+1 +1 +1 -1 -1 +1 -1 -1),
Tx:(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1),(-1 -1 +1 -1+1 +1 +1 -1),(+1 +1 -1 +1 -1 -1 -1 +1),
Sx+Tx:(-2-2 0 0 +2 0 +2 0),(-2 -2 0 0 +2 0 +2 0),(+2 +2 0 0 -2 0-2 0),
S*(Sx+Tx) : 1 , 1 , -1 ,所以發(fā)送的數(shù)據(jù)是1 , 1 , 0

同理如果你要想得到T站的數(shù)據(jù)碼元，就要規(guī)格化T *（Sx + Tx）。

隨堂練習：

解：

（A * R）/ 8 = 1；A發(fā)送1

（B * R）/ 8 = -1; B發(fā)送0

（C * R） / 8 = 0; C沒發(fā)送任何數(shù)據(jù)

（D * R）/ 8 = 1; D發(fā)送了1

---

5 數(shù)字傳輸系統(tǒng)

早期數(shù)字傳輸系統(tǒng)的缺點：

1. 速率標準不統(tǒng)一

2. 不是同步傳輸

現(xiàn)代的傳輸網(wǎng)絡的傳輸媒體：光纖。

最初的在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中使用的傳輸標準是脈沖調(diào)制PCM?，F(xiàn)在高速的數(shù)字傳輸系統(tǒng)使用同步光纖網(wǎng)SONET（美國標準）或 同步數(shù)字系列SDH（國際標準）。

同步光纖網(wǎng)絡(SONET)：是數(shù)據(jù)在光學媒介上同步傳輸?shù)腁NSI標準。與SONET相當?shù)膰H標準是同步數(shù)字層次(SDH)。它們制定了一個標準，這樣國際數(shù)字網(wǎng)絡就可以互聯(lián)，現(xiàn)有的傳統(tǒng)傳輸系統(tǒng)也可以利用光學媒介的優(yōu)點。

6 寬帶接入技術(shù)

從寬帶接入的媒體來看，可分為兩大類：

• 有線寬帶接入（這里只探究這個）

• 無線寬帶接入（過于復雜，后續(xù)討論）

用戶到互聯(lián)網(wǎng)的寬帶接入方法有這三種：

【1】ADSL技術(shù)：

非對稱數(shù)字用戶線ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line) 技術(shù)是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有模擬電話的用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶數(shù)字業(yè)務。

§ 標準模擬電話信號的頻帶在300~3400 Hz 的范圍內(nèi)，而用戶線本身實際可通過的信號頻率超過1 MHz。

§ ADSL技術(shù)就把 0~4kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。

ADSL的特點：
1、非對稱：下行（從ISP 到用戶）帶寬遠大于上行（從用戶到ISP）帶寬。
2、 需要在用戶線的兩端各安裝一個ADSL 調(diào)制解調(diào)器。

DMT 調(diào)制技術(shù)：

DMT調(diào)制技術(shù)采用頻分復用的方法，把40 kHz 以上一直到1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中25個子信道用于上行信道，而 249個子信道用于下行信道，并使用不同的載波進行調(diào)制。

每個子信道占據(jù)4 kHz 帶寬，并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進行數(shù)字調(diào)制。

ADSL 調(diào)制解調(diào)器又稱為接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)。ATU-C (C 代表端局 Central Office)、ATU-R (R 代表遠端 Remote) 都是調(diào)制解調(diào)器，只是所在地不同。

ADSL 最大的好處就是可以利用現(xiàn)有電話網(wǎng)中的用戶線，而不需要重新布線。

第二代ADSL：

得到了更高的數(shù)據(jù)率，采用無縫速率自適應技術(shù)，可在運營中不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下，自適應的調(diào)整數(shù)據(jù)率。

【2】光纖同軸混合網(wǎng) (HFC 網(wǎng))

1、HFC(Hybrid Fiber Coax)網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)的基礎上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。

2、HFC網(wǎng)利用已經(jīng)有相當大的覆蓋面的有線電視網(wǎng)，除可傳送電視節(jié)目外，還能提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶業(yè)務。

3、早期的有線電視網(wǎng)是樹形拓撲結(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡，對電視節(jié)目進行單向傳輸。通過將原有線電視網(wǎng)中的同軸電纜主干部分改換為光纖，變成了現(xiàn)在的光纖同軸混合網(wǎng)。

4、HFC 網(wǎng)具有雙向傳輸功能。

HFC網(wǎng)的結(jié)構(gòu)圖解：

光纖從頭端連接到光纖節(jié)點(fiber node)，在光纖節(jié)點光信號被轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過同軸電纜傳送到每個用戶家庭。

HFC 網(wǎng)用戶端需要使用的設備：

1、機頂盒（set-topbox）

?使現(xiàn)有的模擬電視機能夠接收數(shù)字電視信號。

?連接在同軸電纜和用戶的電視機之間。

2、電纜調(diào)制解調(diào)器（cablemodem）

?使用戶計算機能夠利用HFC 網(wǎng)接入互聯(lián)網(wǎng)。

?連接在同軸電纜和用戶計算機之間。

?不需要成對使用，只需安裝在用戶端。

?可以集成在機頂盒里面。

【3】FTTx 技術(shù)

§ FTTx表示 FiberTo The…（光纖到…），字母x 代表不同的光纖接入地點，也就是光電進行轉(zhuǎn)換的地方。

§ 光纖到戶FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設到用戶家庭。

§ 光纖到大樓FTTB (Fiber To The Building)：光纖進入大樓后就轉(zhuǎn)換為電信號，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶。

另外還有 FTTC、FTTZ、FTTF、FTTO、FTTD等不同形式。

無源光網(wǎng)絡PON：為有效利用光纖資源，在光纖干線和用戶之間使用無源光網(wǎng)絡PON。無源光網(wǎng)絡無須配備電源，長期運行和管理成本低。

最流行的無源光網(wǎng)絡是以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡EPON和吉比特無源光網(wǎng)絡GPON。

寬帶接入技術(shù)這里講的有點多，但部分學校又不會考察太多，甚至不會考察，這里就當擴充下課外知識吧。

結(jié)束語

好了，物理層你就基本復習完了，后續(xù)我還會更新數(shù)據(jù)鏈路層~

期待您的點贊、收藏、關(guān)注，你的支持是我最大的動力??..???文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-771518.html