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Qit_计网笔记二、物理层

news 2025/10/28 16:59:09

第2章物理层

2.1 物理层结点基本概念

一、物理层基本概念

物理层定义
- 物理层考虑的是如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而非具体的传输媒体本身。
- 作用：尽可能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)。

二、物理层主要任务

确定与传输媒体的接口特性
- 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范围（例如，规定电压范围为-5V到+5V）。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平电压的意义（例如，规定-5V表示0，＋5V表示1）。
- 过程特性（规程特性）：
  - 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

三、物理层服务功能描述

正确描述
- 物理层向数据链路层提供比特流传输服务。
- 物理层服务功能主要包括：物理连接的建立、维护与释放，以及比特流的传输。
- 设置物理层的目的就是要屏蔽传输介质、设备与通信技术的差异。
错误描述
- 数据传输的可靠性主要不是靠物理层来保证（注：虽然物理层负责比特流的传输，但数据传输的可靠性更多依赖于上层协议如数据链路层的错误检测和纠正机制）。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一、数据通信系统构成

源系统（发送端）：
- 源点：产生需要传输的数据，如文字、图像、视频等。
- 发送器：将数据转换为适合传输的信号形式（数字信号或模拟信号）。
- 调制解调器（必要时）：将数字信号转换为模拟信号（调制），或将模拟信号转换为数字信号（解调）。
传输系统：
- 传输网络/介质：负责信号的传输，如双绞线、光纤、无线信道等。
- 公用电话网（PSTN）：常用于远程数据通信的传输网络之一。
目的系统（接收端）：
- 接收器：接收传输来的信号，并将其转换回原始数据形式。
- 调制解调器（必要时）：与发送端对应，进行信号的解调或调制。
- 终点：显示或处理接收到的数据。

二、信号类型与转换

数字信号：离散的电脉冲序列，表示二进制数据（0和1）。
模拟信号：连续变化的电信号，如声音、温度等物理量的模拟表示。
转换过程：数字信号通过调制转换为模拟信号进行长距离传输，接收端再通过解调转换回数字信号。
信号流程：输入数据 → 发送器生成数字/模拟信号 → 传输系统 → 接收器解析信号 → 输出数据。

三、常用术语

1. 消息与数据

消息：如话音、文字、图像、视频等。
数据：运送消息的实体，有意义的符号序列（如二进制串 11001001...）。

2. 信号类型

模拟信号：参数取值连续（如时间、温度）。
数字信号：参数取值离散（如二进制数、电脉冲）。

3. 码元

定义：时域波形中代表不同离散数值的基本波形。
二进制编码：仅包含 0 状态和 1 状态。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

一、信道定义

向某一方向传送信息的媒体。

二、通信方式

单向通信（单工通信）：仅单向传输，无反向交互。
双向交替通信（半双工通信）：双方可发送，但不可同时发送或接收。
双向同时通信（全双工通信）：双方可同时发送和接收。

三、基带信号与调制

基带信号：来自信源的原始信号，含低频或直流成分。
调制目的：将基带信号转换为适合在信道中传输的带通信号。
调制类型：
- 基带调制（编码）：将数字信号转换为另一种数字信号。
- 带通调制：使用载波将基带信号搬移至高频段并转为模拟信号。

四、编码方式

不归零制：正电平代表1，负电平代表0，不能从信号波形本身中提取信号时钟频率，无自同步能力。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0，每个码元结束时归零。

曼彻斯特编码：位周期中心跳变代表数据，具有自同步能力。
- 位周期中心向上跳变代表0，向下跳变代表1（或相反）。

差分曼彻斯特编码：每位中心有跳变，位边界跳变代表0，无跳变代表1，具有自同步能力。

五、带通调制方法

1. 基本调制技术

调幅（AM）：载波振幅随基带数字信号变化。
调频（FM）：载波频率随基带数字信号变化。
调相（PM）：载波初始相位随基带数字信号变化。

2. 多元制调制

正交振幅调制（QAM）：
- 结合振幅和相位混合调制，提高信息传输速率。
- 示例：12 种相位 × 2 种振幅 = 16 种码元（对应 4 bit 编码）。

2.2.3 信道的极限容量

一、信道容量限制因素

信道带宽：信道能够通过的频率范围，带宽越宽，容量越大。
频率范围：信道通过的频率范围有限，高频分量可能丢失。
信噪比：信号平均功率与噪声平均功率之比，影响信息传输质量。
- 信噪比(dB) = 10 log10(S/N)，S为信号功率，N为噪声功率。

二、奈奎斯特准则

准则内容：在无噪声理想情况下，带宽为W(Hz)的低通信道，最大码元传输的最高速率为2W(码元/秒)。
码间串扰：传输速率过高导致波形失真，无法识别码元。

三、香农公式

极限信息传输速率：C = W log₂(1+S/N) bit/s。
- W：信道带宽（Hz）。
- S/N：信噪比（线性值）。
意义：给出了在有噪声影响下，信道的极限信息传输速率。
- 只要信息传输速率低于此极限，就可实现无差错传输。
- 提高方法：增大信道带宽、提高信噪比、采用更高效的编码技术。
启示：带宽或信噪比越大，极限传输速率越高；实际编码不可突破绝对极限。

四、提高信息传输速率的方法

编码优化：用编码的方式让每个码元携带更多比特（如 3 bit/码元）。
- 示例：基带信号 1 bit/码元 → 编码后 3 bit/码元，速率提升 3 倍。
增大信道带宽：在可能情况下拓宽信道频率范围。
提高信噪比：减少噪声干扰，增强信号功率。

五、奈氏准则与香农公式的区别

奈氏准则：推动编码技术改进，提高码元信息量。【激励】
香农公式：设定信息传输速率的绝对上限，不可突破。【告诫】

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 传输媒体概述

传输媒体定义：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体分类：
- 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（如铜线或光纤）传播。
- 非导引型传输媒体：指自由空间，电磁波在自由空间中的传输常称为无线传输。

2.3.2 导引型传输媒体

一、双绞线

定义与构造：由两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，按规则方法绞合而成。
分类：
- 无屏蔽双绞线 (UTP)：无屏蔽层，价格较便宜。
- 屏蔽双绞线 (STP)：带屏蔽层，必须有接地线。
  - 细分类型：
    - x/UTP：整条电缆屏蔽。
    - F/UTP：铝箔屏蔽层。
    - S/UTP：金属编织层屏蔽。
    - SF/UTP：铝箔加金属编织层屏蔽。
    - FTP/U/FTP：每对双绞线铝箔屏蔽，整条不另增屏蔽层。
    - F/FTP：FTP基础上整条电缆再加铝箔屏蔽层。
    - S/FTP：FTP基础上整条电缆再加金属编织层屏蔽。

性能特点：
- 绞合度越高，可用数据传输率越高。
- 无论是哪种类别的双绞线，衰减随频率升高而增大。
- 最高速率与数字信号编码方法相关。
双绞线标准 (EIA/TIA-568)：
- 类别与带宽：

二、同轴电缆

定义与构造：由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层及保护塑料外层组成。
性能特点：具有很好的抗干扰特性，广泛用于传输较高速率的数据。

三、光缆

定义与构造：光纤通信的传输媒体，通过传递光脉冲通信。由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。
工作原理：
- 发送端：光源（发光二极管、半导体激光器）在电脉冲作用下产生光脉冲。
- 接收端：光检测器（光电二极管）检测光脉冲并还原出电脉冲。

光波传播方式：光线在纤芯中以全反射方式传输。
光纤分类：
- 多模光纤：允许多条不同角度入射的光线传输，只适合近距离传输。
- 单模光纤：直径减小到一个光的波长，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，衰耗较小，但制造成本高。

光波波段：常用850 nm、1300 nm、1550 nm波段，带宽达25000~30000 GHz。
光缆构造：数十至数百根光纤，加强芯、填充物、远供电源线（必要时），包带层和外护套。
光纤优点：

通信容量大。
传输损耗小，中继距离长。
抗雷电和电磁干扰性能好。
无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
体积小，重量轻。

2.3.3 非导引型传输媒体

一、无线传输频段

频段范围：LF ~ THF（30 kHz ~ 3000 GHz）。

二、无线电微波通信

频率范围：300 MHz ~ 300 GHz（波长1 m ~ 1 mm），主要使用2 ~ 40 GHz。
传播特性：空间直线传播，地球表面传播距离受限（约50 km），高天线塔可增大传播距离（至100 km）。
多径效应：信号经多条路径到达接收方，产生失真。
误码率与信噪比：
- 信噪比越大，误码率越低。
- 调制技术数据率越高，误码率越高。
- 用户移动导致信噪比和误码率变化。

三、远距离微波通信：微波接力

定义：中继站放大信号并发送到下一站。
特点：
- 通信信道容量大。
- 传输质量高，受工业干扰和天电干扰小。
- 建设投资少，见效快，易于实施。
缺点：
- 相邻站需直视，存在多径效应。
- 受恶劣气候影响。
- 隐蔽性和保密性较差。
- 中继站维护成本高。

四、卫星通信

特点：
- 通信容量大，距离远，稳定。
- 传播时延大（250~300 ms）。
- 保密性相对较差，造价高。
低轨道卫星系统：卫星高度在2000公里以下，如SpaceX的“星链”计划、鸿雁卫星星座通信系统。

五、无线局域网

定义：使用无线信道的计算机局域网。
频段：通常需得到无线电频谱管理机构的许可证，ISM频段（工科医频段）可自由使用，如2.4 GHz、5.725 GHz等。

2.4 信道复用技术

复用 (multiplexing) ：允许用户使用一个共享信道进行通信。

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

一、频分复用（Frequency Division Multiplexing, FDM）

定义：最基本的复用，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。
特点：所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源。
图示：
- (a) 使用单独的信道
- (b) 使用共享信道进行复用和分用

二、时分复用（Time Division Multiplexing, TDM）

定义：最基本的复用，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。
特点：
- 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信号也称为等时信号。
- 所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
问题：时分复用会导致信道利用率不高，当用户暂时无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态。

三、统计时分复用（Statistic TDM, STDM）

定义：STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。
特点：可以提高线路的利用率。
组件：集中器

四、频分多址与时分多址

频分多址接入（FDMA）：可让N个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带。
时分多址接入（TDMA）：可让N个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这N个时隙。

五、复用器与分用器

必须成对使用
复用器（Multiplexer）：将多个信号合并到一个共享信道上进行传输。
分用器（Demultiplexer）：将共享信道上的信号分离到各个单独的信道上。

2.4.2 波分复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）

定义：光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号（频率相近）。
组件：复用器、分用器、EDFA（掺铒光纤放大器）、光调制器、光解调器
应用：在光纤通信中广泛应用，通过不同波长的光信号实现大容量数据传输，提高光纤的传输容量。

2.4.3 码分复用（Code Division Multiplexing, CDM）与码分多址（CDMA）

一、定义

码分复用：每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。
码分多址（CDMA）：当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址。

二、CDMA工作原理

码片划分：将每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片。
码片序列分配：为每个站指派一个唯一的m bit码片序列。
- 发送比特1：发送自己的m bit码片序列。
- 发送比特0：发送该码片序列的二进制反码。
扩频技术：
- 要发送信息的数据率 = b bit/s，实际发送的数据率 = mb bit/s，同时，所占用频带宽度也提高到原来的 m 倍。
- 分类：
  - 直接序列扩频（DSSS）
  - 跳频扩频（FHSS）

三、码片序列特性

正交性：各不相同，且必须互相正交。
- 向量S和T的规格化内积等于0。
- 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。
- 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1。

2.5 数字传输系统

一、早期数字传输系统

方式：电话网长途干线采用频分复用（FDM）的模拟传输方式，目前大都采用时分复用 PCM的数字传输方式。
缺点：
- 速率标准不统一（北美和日本的T1速率1.544 Mbit/s，欧洲的E1速率2.048 Mbit/s）。
- 不是同步传输，主要采用准同步方式，各支路信号的时钟频率有一定的偏差。

二、同步光纤网（SONET）

定义：为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构。
特点：
- 各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
- 传输速率以51.84 Mbit/s为基础，定义了从51.84 Mbit/s到9953.280 Mbit/s的标准。

三、同步数字系列（SDH）

定义：ITU-T以美国标准SONET为基础制订的国际标准。
基本速率：155.52 Mbit/s，称为第1级同步传递模块（STM-1），相当于SONET体系中的OC-3速率。
意义：
- 定义了标准光信号，规定了波长为1310 nm和1550 nm的激光源。
- 在物理层定义了帧结构。
- 使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一。
- 已成为公认的新一代理想的传输网体制，也适合于微波和卫星传输的技术体制。

2.6 宽带接入技术

2.6.1 宽带接入技术概述

宽带定义：标准在不断提高，美国联邦通信委员会（FCC）定义宽带下行速率达25 Mbit/s，上行速率达3 Mbit/s。

宽带接入分类：

有线宽带接入
- 无线宽带接入

2.6.2 ADSL 技术

一、ADSL 基本概念

非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，承载宽带业务。
频谱分配：0~4 kHz 留给传统电话，高端频谱留给用户上网。

二、ADSL 标准与特性

ITU 标准：G.992.1（或称 G.dmt）。
非对称性：下行（从ISP到用户）带宽远大于上行（从用户到ISP）带宽。
传输距离：取决于数据率和用户线的线径，以及用户线上的信噪比。

三、ADSL 调制技术

离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)：采用频分复用 FDM 方法，相当于在一对用户线上使用多个小调制解调器并行传送数据。

四、ADSL 组成

数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)，用户线和用户家中的一些设施。
接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)：包括 ATU-C（端局）和 ATU-R（远端）

五、ADSL 优势与应用限制

优势：利用现有电话网用户线（铜线），无需重新布线。
应用限制：不适合企业，因企业常需上行信道发送大量数据。

六、第二代 ADSL

ADSL2 和 ADSL2+：提高了调制效率、采用无缝速率自适应技术 SRA、改善了线路质量评测和故障定位功能。

其他 xDSL 技术：
- SDSL (Symmetric DSL)：对称数字用户线
- HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线
- VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线
- Giga DSL：超高速数字用户线，华为公司于 2012 年首先研制成功样机，使用时分双工 TDD 和 OFDM 技术。

2.6.3 光纤同轴混合网（HFC 网）

HFC 网基础：
- 基于有线电视网 CATV 网：将原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤。
HFC 网结构与功能：
- 双向传输功能：扩展了传输频带，支持调频广播、模拟和数字电视、数据业务。
HFC 网设备：
- 机顶盒 (set-top box)：连接在同轴电缆和电视机之间，使模拟电视机接收数字电视信号。
- 电缆调制解调器 (cable modem)：将用户计算机接入互联网，解决共享信道冲突问题。

2.6.4 FTTx 技术

FTTx 技术概述：
- 代表多种宽带光纤接入方式：FTTH (Fiber To The Home)、FTTB (Fiber To The Building)、FTTC (Fiber To The Curb)、FTTZ (Fiber To The Zone)、FTTO (Fiber To The Office)、FTTD (Fiber To The Desk) 等。
光配线网 ODN (Optical Distribution Network)：
- 位置：位于光纤干线和用户之间。
- 无源光网络 PON (Passive Optical Network)：采用波分复用 WDM，上行和下行使用不同波长。
无源光网络 PON 类型：
- 以太网无源光网络 EPON (Ethernet PON)：链路层使用以太网协议，兼容性好，成本低，扩展性强，管理方便。
- 吉比特无源光网络 GPON (Gigabit PON)：采用通用封装方法 GEM，可承载多业务，提供服务质量保证，总体性能优于 EPON，但成本稍高。