计算机网络复习物理层且听风吟的博客-

物理层的基本概念

为什么需要物理层

• 通信需要通路：光、电、无线
• 通路连接方式
• 数据在通路上的表现形式：数据如何转变成通路上需要的形式、数据传输速率
• 通路共享
• 通路传送数据的规则

物理层的功能

物理层不包含物理媒介，而是确定与传输媒体的接口特性。

• 机械特性
• 电器特性
• 功能特性
• 过程特性

主要功能：解决计算机间比特传输问题，即透明地传送比特流，关心的是点到点的问题。

透明传输：指不管所传输的数据是什么样的比特组合，都能够在链路上传输。要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

常用物理层相关标准：RJ45

数据通信基础

一个数据通信系统包括三大部分：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）

通信的目的是传送消息

• 信号：数据的电气的或电磁的表现

模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的 

• 信源：产生和发送数据的源头
• 信宿：接收数据的终点
• 信道：信号传输的通道（传输媒介），一般来表示向某一个方向传送信息的介质，一端是发送信道，另一端是接收信道。一条传输介质上可以有多条信道（多路复用）
  

三种通信方式

基带信号

基带信号：信源发出的没有经过调制的原始信号（直接表达了要传输的信息的信号）。
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

• 由模拟信号源产生的信号称为模型基带信号
• 由计算机产生的二进制信号称为数字基带信号
• 无特别说明，一般指的是数字基带信号
  

编码与调制

数字数据编码为数字信号

• 非归零编码：正电平代表1，负电平代表0
• 归零编码：正脉冲代表1，负脉冲代表0
• 曼彻斯特编码：从高到低跳变是表示1，从低到高跳变表示是0
• 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，位开始边界没有跳变代表1
  
  

码元的概念

在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
1码元可以携带多个比特的信息量。
当码元的离散状态有M个时，此时码元称为M进制码元。

信道极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
失真的原因：

• 码元传输速率高
• 信道传输的距离远
• 传输媒体质量越差
• 噪音干扰
  
  码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限的现象

信道带宽

信道能够通过的频率范围

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是出现码间串扰

奈氏准则

在假定的理想低通条件（无噪音、带宽受限）下，为了避免码间串扰

码元的传输速率的上限值 = 2W Baud(波特) W是最信道的带宽，单位是Hz 

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中 噪音是随机产生的，它的瞬间值有时会很大。
因此噪音会使接收端对码元的判决产生错误。
但噪音的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪音的影响就相对较小

香农定理

• 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方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，则信道的极限信息传输速率C也就没有上限
• 实际上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
  
  可以用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

传输媒体

传输介质

• 信道是传输系统的逻辑通路
• 传输介质也称传输媒体/传输媒介，是数据传输系统中在发送设备和接收设备的物理通路

导引型传输媒体

• 双绞线
• 同轴电缆：最适合于单工，属于半双工
• 光缆

屏蔽双绞线STP：带金属屏蔽层
无屏蔽双绞线UTP

绞合的作用：

减少对相邻导线的电磁干扰 

信道复用技术

• 频分多路复用
• 时分多路复用
• 波分多路复用
• 码分多路复用

多路复用技术

把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率

频分多路复用

将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
（这里的带宽是频率带宽而不是数据的发送速率）

频分复用技术的特点：

所有子信道传输的信号以并行的方式工作

时分复用TDM

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧，每一个用户在每一个TDM帧占用固定序号的时隙；每一个用户所占用的时隙是周期性出现（周期即TDM帧的长度），TDM信号也称为等时信号。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。

由于计算机数据的突发性质，使用时分复用系统传输数据，子信道的利用率一般是不高

统计时分复用STDM

数据发往复用器，复用器按顺序扫描。把复用器中的数据放入STDM帧中，一个STDM帧满了就发出。STDM不是固定分配时隙。而是按需动态分配时隙。

注：STDM帧的时隙数小于终端数，并且有站标识开销 

波分复用WDM

码分复用CDM

码分多址是码分复用的一种方式，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力。

码片序列
每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。
每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列

• 如发送比特1，则发送自己的m bit码片序列
• 如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码