第二章 物理层

基本概念综述

物理层: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。作用是尽可能的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。

---主要任务:确定与传输接口的一些特性
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一电压的意义。
过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现。

物理层功能:定义电压、接口、线缆标准、传输距离等。
物理层线缆:同轴电缆、双绞线、光纤、无线电波。(目前我们网络用到的所有线缆)

数据通信的基础知识

数据:对客观事物的符号表示,分为模拟数据、数字数据
信号:是数据的具体物理表示,分为数字信号、模拟信号
数据通信系统的三的部分:源系统(发送端)、传输系统(传输网络)和目的系统(接收端)
图片说明

比特:二进制的缩写,即“位”,用来度量消息的信息量。
码元:对计算机网络传送的二进制数字中每一位的通称。
码字:在7位ASCII码中,1000001这个码元组成的码字为A,则将A称为码字。
信道:是传送信号的一条通道,分为物理信道逻辑信道
信噪比: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)作为单位。
请在这里输入引用内容

Eg: 当 S/N=10 时,信噪比为 10dB,而当S/N=1000 时,信噪比为 30dB 。

数据传输速率:指每秒能传输的二进制信息位数,又称比特率,用 bps 标记,单位:比特每秒。
图片说明

Eg: 脉冲调制系统每秒钟测取8000次,量化电平为256个,求数据传输速率。
------解: 信号周期 T=1/8000, 量化电平N=256=2^8
------得:S=8000*8=64Kbit/s

奈奎斯特(Nyquist)定理:任何一个信号如果能够通过带宽为W(Hz)的理想低通滤波器,若每秒取样 2W 次,就可以完整的重现该滤波过后的信号。在理想条件下(无噪音有限带宽W的信道),其最大的数据传输速率C(信道容量)为:图片说明 ,(N表示离散信号或电平个数)。

Eg:一个无噪音的3000Hz信道传输二进制信号,试问信道容量(可允许的数据传输速率)是多少?
------解:由于传输的二进制信号是 “1”,“0”两个电平,即N=2,W=3000Hz,
------则信道容量: 图片说明

香农定理:信道容量与信道宽带之间的关系:图片说明 ,W:带宽(Hz)、S为信道内所传信号的平均速率、N为信道内部的高斯噪声功率。

Eg:一个数字信号通过两种物理状态,经信噪比为20dB的3kHz带宽信道传送,其数据率不会超过多少?
------解:由信噪比电平为20dB,得出S/N=100,所以:图片说明

数据通信传输的三种基本方式:单工通信、半双工通信,全双工通信。

串行传输:一个字符的8位的二进制代码以串行的方式通过一条信道发送。发送和接收时要进行串并转换。
并行传输:表示一个字符的8位二进制代码同时通过8条并行的通信信道发送出去。

同步传输:位同步(外同步法、内同步法)、字符同步
异步传输:一次只传输一个字符,每个字符用一位起始位引导,一位停止位结束。

根据传输的介质可分为:基带传输、频带传输。

基带传输:只数字脉冲信号在传输介质上保持数据波形按原样进行传输。
频带传输:把数字信号调制成模拟信号后再发送和传输,到达接收端再把音频信号再调整成原来的数字信号。

数据的常用编码方式:不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码
图片说明

数据的三种调制方法:调幅、调频、调相,分别称为振幅键控ASK、移频键控FSK、移相键控PSK。
图片说明

脉冲编码调制PCM:三个步骤:采样、量化、编码。主要功能:把模拟数据的数据编码转化为数字信号。

数据的交换方式:线路交换、存储交换
图片说明

电路交换步骤:电路建立、数据传输、电路拆除

优点:-电路建立后,数据以固定的速率传输,传输延迟小
----------物理箱单独占用,不会发生冲突
----------适用于大批量连续的数据传输
缺点:-建立连接要跨过多个设备或线揽,花费时间长
-----------线路专用,空闲时造成一定的浪费
-----------通信双方必须做到收发速度、编码方式、信息格式、传输控制一致才能完成通信。

报文交换:以报文为单位发送信息,不管数据多长都当作一个报文单元。每个报文由报头、正文、报尾组成。

优点:-电路利用率高
-----------通信量大时仍可接收报文,不过会增加传送延迟
-----------可以把一个报文发送到多个目的地
-----------可以进行数据和代码的转换
缺点:-数据延迟长,且延迟长短不一,不适用于实时或交互的通信系统。
-----------当报文传输错误时,必须重传整个报文。

分组交换:将报文分成若干个分组,每组长度有上限,提高了交换速度。结合了电路交换和报文交换的优点,并且有数据报虚电报的方式。

物理层下面的传输媒体

介质:网络中连接双方的物理通路,是数据通信中实际传送信息的载体。

  • 双绞线:屏蔽双绞线STP、无屏蔽双绞线UTP

    优点:价格便宜、安装简单,最常用的传输媒体。模拟信号和数字信号都可以使用双绞线传输,传输范围一般在几米到十几米。
    比较适合短距离的信息传输,当距离过大时要使用中继器来放大信号和再生波形。

  • 同轴电缆:由内导体、绝缘层、屏蔽层及外保护层组成。

    优点:抗干扰性强、支持多点连线
    缺点:物理可靠性不好,基本被双绞线替代。

  • 光纤:即光导纤维,分为 单模(8.3/125um)和多模(50/125um ,62.5/125um)两种。

  • 微波通信:又称数字微波接力通信,主要以直线传播,可以穿透电离层进入宇宙,其传播距离受到限制且与天线的高度有关。长途通信必须建立多个中继站。

  • 卫星通信:一种特殊的微波接力通信。

    优点:通信距离远、费用与通信距离无关、覆盖面积大、不受地理条件限制、通信信道带宽宽、可进行多地址通信与移动通信……

图片说明

信道复用技术

多路复用:在通信系统中能实现多种信号在同一种媒体中传输的技术。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。主要有:频分多路、时分多路、波分多路、码分多路。