计算机网络 物理层_计算机网络基础知识必备

(56) 2024-05-26 10:01:01

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。
物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。

主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性。
机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性:指明某条线上出现的某- -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。

2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

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常用术语
数据(data)一运送消息的实体。
信号(signal)一 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号(analogous signal)一 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号(digital signal)一代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code)——在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。

2.2.2有关信道的几个基本概念

信道——一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
单向通信(单工通信)——只能有一 个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信(半双工通信)——通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
双向同时通信(全双工通信)一通信的双方 可以同时发送和接收信息。

基带信号(即基本频带信号)——来自信源的信号。 像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。

(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-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。
 

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最基本的二元制调制方法有以下几种:
1.调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化。
2.调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化。
3.调相(PM) :载波的初始相位随基带数字信号而变化。

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 2.2.3信道的极限容量

从概念上讲,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
信噪比
(1)信道能够通过的频率范围

1924年,奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下,为了避免码间串扰,码元的传输速率的上限值,奈氏准则:在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,否则就会出现码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。
如果信道的频带越宽,也就是能够通过的信号高频分量越多,那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

(2)信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
噪声是随机产生的,它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。
但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强,那么噪声的影响就相对较小。
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 log1o(S/N) (dB)
例如,当S/N= 10时,信噪比为10dB,而当S/N= 1000时,信噪比为30dB。1948年,香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高
斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率(香农公式)
信道的极限信息传输速率C可表达为:
C= Wlog2(1+ S/M) (bit/s)
其中: 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;
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,则信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。若信道带宽W或信噪比S/N没有.上限(当然实际信道不可能是这样
的),则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。实际信道.上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
请注意
对于频带宽度已确定的信道,如果信噪比不能再提高了,并且码元传输速率也达到了.上限值,那么还有办法提高信息的传输速率。
这就是:用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
 

2.3物理层下面的传输媒体

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2.3.1导引型传输媒体

双绞线.
最常用的传输媒体。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线,其通信距离一般为几到十几公里。
屏蔽双绞线STP (Shielded Twisted Pair)
带金属屏蔽层.
无屏蔽双绞线UTP (Unshielded Twisted Pair)

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计算机网络 物理层_计算机网络基础知识必备 (https://mushiming.com/)  第6张 同轴电缆
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。
同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
50Ω同轴电缆一L.AN/数字传输常用
75Ω同轴电缆一有线电视 /模拟传输常用

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光缆
光纤是光纤通信的传输媒体。
由于可见光的频率非常高,约为108 MHz的量级,因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
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单模光纤
可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。 这种光纤就称为多模光纤。
单模光纤
若光纤的直径减小到只有一个光的波长,则光纤就像一-根波导那样,它可使光线一直向前传播,而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。

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光纤优点
1.通信容量非常大。
2.传输损耗小,中继距离长。
3.抗雷电和电磁3 F扰性能好。
4.无串音干扰,保密性好。
5.体积小,重量轻。

2.3.2非导引型传输媒体

将自由空间称为“非导引型传输媒体”无线传输所使用的频段很广。短波通信(即高频通信)主要是靠电离层的反射,但短波信道的通信质量较差,传输速率低。微波在空间主要是直线传播。
传统微波通信有两种方式:
1.地面微波接力通信
2.卫星通信

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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

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。
它允许用户使用一个共享信道进行通信,降低成本,提高利用率。
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频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。
每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)的。
TDM信号也称为等时(isochronous)信号。
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

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2.4.2波分复用

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2.4.3码分复用

常用的名词是码分多址CDMA (Code Division Multiple Access)。
各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成3 F扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,不易被敌人发现。
每一个比特时间划分为m个短的间隔,称为码片(chip).
每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。
1.如发送比特1,则发送自己的m bit码片序列。
2.如发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码。
例如,S站的8 bit码片序列是00011011。
1.发送比特1时,就发送序列00011011,
2.发送比特0时,就发送序列11100100。
S站的码片序列: (-1 -1-1 +1 +1-1 +1 +1)
假定S站要发送信息的数据率为b bit/s。由于每一个比特要转换成m
个比特的码片,因此S站实际上发送的数据率提高到mb bit/s,同时S站
所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。
这种通信方式是扩频(spread spectrum)通信中的一种。
扩频通信通常有两大类:
1.一种是直接序列扩频DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum),如上面讲的使用码片序列就是这一类。
2.另一种是跳频扩频FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。
CDMA的重要特点
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。
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 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是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的模拟传输方式。
与模拟通信相比,数字通信无论是在传输质量.上还是经济上都有明显的优势。
目前,长途干线大都采用时分复用PCM的数字传输方式。
脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
由于历史.上的原因,PCM有两个互不兼容的国际标准:
1.北美的24路PCM(简称为T1)
2.欧洲的30路PCM (简称为E1)
我国采用的是欧洲的E1标准。
E1的速率是2.048 Mbit/s,而T1的速率是1.544 Mbit/s。
当需要有更高的数据率时,可采用复用的方法。
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 SONET / SDH标准的意义
使不同的数字传输体制在STM-1等级.上获得了统一。
第一次真正实现了数字传输体制.上的世界性标准。
已成为公认的新一代理想的传输网体制。
SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

2.6宽带接入技术

从宽带接入的媒体来看,可以划分为两大类:
1.有线宽带接入
2.无线宽带接入
下面讨论有线的宽带接入。
 

2.6.1ADSL技术

非对称数字用户线ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)
技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够
承载宽带业务。
标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400 Hz的范围内,但用
户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1 MHz。
ADSL技术就把0~4 kHz低端频谱留给传统电话使用,而把原来没
有被利用的高端频谱留给用户.上网使用。
DSL就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。
DSL的几种类型
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line):非对称数字用户线
HDSL (High speed DSL):高速数字用户线
SDSL (Single-line DSL): 1对线的数字用户线
VDSL (Very high speed DSL): 甚高速数字用户线
DSL (Digital Subscriber Line) :数字用户线
RADSL (Rate-Adaptive DSL):速率自适应DSL,是ADSL的一个子集,可自动调节线路速率)
ADSL的特点
上行和下行带宽做成不对称的。
上行指从用户到ISP,而下行指从ISP到用户。
ADSL在用户线(铜线)的两端各安装一个ADSL调制解调器。
我国目前采用的方案是离散多音调DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。
这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。
DMT调制技术采用频分复用的方法,把40 kHz以上一直到1.1
MHz的高端频谱划分为许多子信道,其中25个子信道用于上行信道,而249个子信道用于下行信道。
每个子信道占据4 kHz带宽(严格讲是4.3125 kHz),并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
 

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由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同),因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。
当ADSL启动时,用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况,以及在每- -个频率.上测试信号的传输质量。
ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。
通常下行数据率在32 kbit/s到6.4 Mbit/s之间,而. 上行数据率在32kbit/s到640 kbit/s之间。
 

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第二代ADSL
包括ADSL2 (G.992.3 和G.992.4)和ADSL2+ (G.992.5) 。
通过提高调制效率得到了更高的数据率。
1. ADSL2要求至少应支持下行8 Mbit/s、上行800 kbit/s的速率。
2. ADSL2+则将频谱范围从1.1 MHz扩展至2.2 MHz,下行速率可达16
Mbit/s (最大传输速率可达25 Mbit/s),而.上行速率可达800 kbit/s。
采用了无缝速率自适应技术SRA (Seamless Rate Adaptation),可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下,自适应地调整数据率。
改善了线路质量评测和故障定位功能,这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。 

2.6.2光纤同轴混合网((HFC网)

HFC (Hybrid Fiber Coax)网是在目前覆盖面很广的有线电视网
CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。
HFC网除可传送CATV外,还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络,它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。
HFC网对CATV网进行了改造。
HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤,并使用模拟光纤技术。
在模拟光纤中采用光的振幅调制AM,这比使用数字光纤更为经济。
模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node),即光分配结点ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
 

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用户接口盒UIB (User Interface Box)要提供3三种连接,即:
1.使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box),然后再连接到用户的电视机。
2.使用双绞线连接到用户的电话机。
3.使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。
电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。
电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。
1."下行速率一 般在3 ~ 10 Mbit/s之间,最高可达30 Mbit/s。
2.上行速率一般为0.2 ~ 2 Mbit/s,最高可达10 Mbit/s。
电缆调制解调器比在普通电话线.上使用的调制解调器要复杂得多,并且不是成对使用,而是只安装在用户端。

2.6.3FTTx技术
 

FTTx是一种实现宽带居民接入网的方案,代表多种宽带光纤接入方式。
FTTx表示Fiber To The..(光纤到..) ,
例如:
1.光纤到户FTTH (Fiber To The Home):光纤一直铺设到用户家庭,可能是居民接入网最后的解决方法。
2.光纤到大楼FTTB (Fiber To The Building):光纤进入大楼后就转换为电信号,然后用电缆或双绞线分配到各用户。
3.光纤到路边FTTC (Fiber To The Curb):光纤铺到路边,从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
 

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THE END

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