第二章 物理层1. 物理层的基本概念1.1 物理层作用物理层不是传输媒体本身网线、光纤属于物理层下面的传输媒体不属于物理层物理层规定为传输比特流需要在连接各种计算机的传输媒体上确定接口特性机械特性接口形状、引脚数量、引脚排列如 RJ45 水晶头电气特性引脚电压范围、电平表示 0 还是 1功能特性引脚的作用哪根是发送、哪根接收、地线规程特性信号线工作时序事件发生顺序1.2 核心要点物理层任务透明地传输比特流。透明不管比特是什么内容原样传递物理层不理解帧、分组、报文只看 0 和 1。2. 数据通信的基本知识2.1 数据通信系统的模型通信系统三大部分源系统发送端、传输系统信道、目的系统接收端源点产生数据电脑输出数字比特发送器对信号转换如调制器数字信号→模拟信号信道信号传输的通道可以是有线 / 无线接收器信号转换如解调器模拟→数字终点接收数据电脑两个概念区分数据运送信息的实体文字、文件数字形式信号数据的电气 / 电磁表现形式数字信号离散取值0、1码元模拟信号连续变化波形连续码元在时间轴上固定的信号波形一个码元可以携带 1bit 或多 bit 信息。码元速率波特率 Baud单位时间传送码元个数比特率 (bps)单位时间传送比特数量。比特率 波特率 × 每个码元携带比特数2.2 有关信道的几个基本概念单向通信单工只能一个方向传不能反向。例广播、电视双向交替通信半双工双方都能收发但同一时刻只能一方发。例对讲机双向同时通信全双工双方同一时刻可同时收发。例网线通信调制基带数字信号转换为带通模拟信号适合远距离信道基带信号来自信源的原始信号数字信号四种基本调制方式ASK 幅移键控振幅变化频率相位不变FSK 频移键控频率变化PSK 相移键控相位变化QAM 正交振幅调制同时调幅 调相提高传输速率2.3 信道的极限容量限制信道最高传输速率两大因素码间干扰、噪声2.3.1 奈奎斯特准则无噪声信道无噪声理想低通信道码元速率上限码元速率上限Csymbol2WC_{symbol}2WCsymbol​2W单位波特 BaudCsymbolC_{symbol}Csymbol​表示码元速率WWW信道带宽单位 Hz。若每个码元携带log2Vlog_2Vlog2​VbitV 为码元离散电平数量Cbit2Wlog⁡2V(bit/s)C_{bit}2W\log_2V \quad (\text{bit/s})Cbit​2Wlog2​V(bit/s)结论无噪声时带宽决定码元速率上限提高电平种类 V可提高比特率。带宽越大极限速率越高。2.3.2 香农公式有高斯白噪声信道真实信道CWlog⁡2(1SN)C W\log_2(1\frac{S}{N})CWlog2​(1NS​)WWW信道带宽 (Hz)SSS信号功率NNN噪声功率S/NS/NS/N信噪比信噪比常用分贝SNR(dB)10log⁡10(S/N)SNR(dB)10\log_{10}(S/N)SNR(dB)10log10​(S/N)香农公式结论信道带宽$ W $越大极限信息传输速率越高信噪比越高极限速率越高只要信息速率小于香农极限理论上可以实现无差错传输香农公式给出比特率上限奈奎斯特是码元上限二者不要混淆。3. 物理层下面的传输媒体传输媒体不属于物理层是物理层的承载介质分为导引型有线、非导引型无线。3.1 导引型传输媒体信号沿固定介质传播双绞线由两根绝缘铜导线绞合减少电磁干扰绞距越密抗干扰越强分类屏蔽双绞线 STP、非屏蔽双绞线UTP局域网最常用如 5 类、超 5 类、6 类线 RJ45缺点带宽有限远距离衰减大同轴电缆内导体铜芯 绝缘层 外导体屏蔽层 保护塑料外层。抗干扰优于双绞线。早年以太网、有线电视现在局域网基本淘汰。光纤光导纤维利用光的全反射传输光信号。分为多模光纤多条光线在光纤内反射芯粗成本低短距离色散大。LED 光源。单模光纤一条光直线传播芯极细激光光源衰减小长距离高速通信。 优点带宽极大、抗电磁干扰、保密性好、损耗低缺点设备贵不易弯折。3.2 非导引型传输媒体无线自由空间传播电磁波无线电波全向传播穿墙能力好2.4G/5G WiFi。微波直线传播不能绕障碍物需要中继站卫星通信属于微波。红外线、可见光定向传输短距离不能穿墙。4. 信道复用技术复用多个用户共享同一个信道资源提高信道利用率4.1 频分复用 FDM思路按频率划分信道。所有用户同时通信占用不同频率频段互不干扰。每个用户分配固定频带用户一直占用这个频段直到通信结束。模拟通信常用。缺点频率资源固定分配信道空闲时也不能给别人用资源浪费。OFDM正交频分复用是 FDM 改进WiFi、4G/5G 使用。4.2 时分复用 TDM 和 统计时分复用 STDM4.2.1 TDM 时分复用按时间片划分所有用户使用相同频率轮流占用固定时隙。时间划分为固定帧每一帧内有固定时隙分给各个用户。用户只在分配给自己的时隙发送时隙固定分配。缺点某用户不发送数据时时隙空闲资源白白浪费。4.2.2 STDM 统计时分复用异步时分复用改进 TDM不固定分配时隙有数据的用户才分配时隙。时隙按需分配空闲时隙可以分配给其他用户。提升信道利用率但是每个分组必须携带用户地址标记增加额外开销。对比TDM 固定时隙STDM 动态时隙。4.3 波分复用 WDMWavelength Division Multiplexing波分复用就是光的频分复用。 在一根光纤上同时传输多个不同波长的光信号。每个波长一路信号密集波分复用 DWDM大量波长在一根光纤骨干网高速传输。4.4 码分复用 CDM常用 CDMA 码分多址每个用户分配专属正交码片序列。所有用户同一时间、同一频率发送信号依靠不同编码区分用户。接收端用对应码片做内积运算提取目标信号其他用户信号当作噪声抵消。特点抗干扰强保密性好早期移动通信使用。 核心码片向量正交。发送 1 发送原码片发送 0 发送码片反码。5. 数字传输系统早期电话网是模拟传输系统现代通信趋向数字传输。PCM 脉冲编码调制模拟语音→数字信号三步采样、量化、编码。 采样定理采样频率 2 倍信号最高频率可无失真恢复。语音 8kHz 采样每个样本 8bit一路语音 64kbps。标准E1欧洲标准一帧 32 时隙时隙 0 同步时隙 16 信令30 路语音速率 2.048 Mbps。T1北美日本24 路语音1.544 Mbps。缺点体系复杂不同标准互通麻烦现在逐步被同步光纤网 SONET/SDH 取代。SDH同步数字体系统一标准STM-1 基础速率 155.52Mbps可多级复用骨干传输。6. 宽带接入技术用户接入互联网6.1 ADSL 非对称数字用户线基于原有电话铜线不需要重新布线非对称下行速率 上行速率用户下载多上传少原理在电话线不同频段同时传输电话语音低频和数字宽带高频分离器分离语音信号和数据信号缺点速率随距离衰减受线路质量影响老式接入6.2HFC 光纤同轴混合网在原有有线电视 CATV 同轴电缆基础改造。 主干部分使用光纤小区内使用同轴电缆。头端光纤送到小区节点再转为同轴电缆分给家庭。共享介质同一小区用户共享带宽用户多速度下降。 可以同时传电视信号和互联网数据。6.3 FTTx 光纤到 xFTTx 是一系列光纤接入方案x 代表光纤终止位置FTTH光纤到户。光纤直接到用户家里性能最好独立带宽现在主流。FTTB光纤到大楼。光纤到楼宇楼内双绞线分到住户。FTTC光纤到路边。FTTN光纤到节点。思路光纤不断向用户靠近取代铜线带宽高、抗干扰强。