计网——物理层

2.1物理层概述

物理层接口特性

1.机械特性

形状和尺寸

引脚数目和排列

固定和锁定装置

2.电气特性

信号电压的范围

阻抗匹配的情况

传输速率

距离限制

3.功能特性

规定接口电缆的各条信号线的作用

4.过程特性

规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系。

2.2导向型传输媒体

同轴电缆

基带同轴电缆（50Ω）用于数字传输，早期局域网广泛使用

宽带同轴电缆（75Ω）用于模拟传输，目前主要用于有线电视入户线。

双绞线

绞合的作用

• 1.减少相邻导线见的电磁干扰

• 2.抵御部分来自外界的电磁干扰

光纤

因为可见光的频率非常高，所以一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

• 多模光纤

多条光波在多模光纤中不断地全反射

（只适合于建筑物内的近距离传输）

• 单模光纤

光在单模光纤中一直向前传播

（适合长距离传输且衰减更小）

单模光纤因为仅支持一种传播模式，避免了多模光纤中常见的多次反射，从而减少了信号的传播损耗。这使得单模光纤在信号传输过程中能够保持更高的信号质量，适用于高速数据传输。

常用的三个光波波段的中心波长

• 1.850nm 衰减较大，但其他特性较好

• 1300nm 衰减较小

• 1550nm 衰减较小

光纤规格

• 单模光纤 8/125μm、9/125 μm、10/125μm

• 多模光纤 50/125μm（欧洲标准），62.5/125 μm（美国标准）

光纤的优点

• 通信容量非常大

• 抗雷电和电磁干扰性能好

• 传输损耗小，中继距离长

• 无串音干扰，保密性好

• 体积小，重量轻

光纤的缺点

• 切割光纤需要较贵的专用设备

• 目前光电接口还比较昂贵

2.3非导向型传输媒体

无线电波

地面波与电离层反射无线电波

微波

地面微波接力

同步卫星

红外线

遥控器

大气激光

可见光

2.4传输方式

串行传输与并行传输

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同步传输与异步传输

同步方式：

• 外同步 在收发双方之间增加一条时钟信号线

• 内同步 发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送 （例如曼彻斯特编码）。

收发双方时钟频率的误差积累

造成比特信号采样时刻的严重偏移

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异步传输：

• 字节之间异步，即字节之间的时间间隔不固定。

• **字节中的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间是相同的。

2.5编码与调制

码元

• 在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元

常用编码方式

• 双极性不归零编码（编码效率高，但存在同步问题）

• 双极性归零编码（自同步，但编码效率低）

• 曼彻斯特编码 （自同步，10Mb/s传统以太网）(表示时钟信号，也表示数据。 正/负跳变表示0/1)

• 差分曼彻斯特编码（跳变表示时钟信号，而不表示数据。有/无跳变表示0/1）

基本的带通调制方法

调幅

调频

调相

混合调制方法

• 因为频域和相位是相关的所以频率和相位不能混合调制

相位和振幅可以混合调制

正交振幅调制QAM

• 12种相位

• 每种相位有1或2种振幅可选

• 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特

• 每个码元与4个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个相邻码元只有1个比特不同。

2.6信道的极限容量

造成信号失真的主要因素

1. 传输速率越高，信号经过传输后的失真就越严重。

2. 码间串扰(波形不在陡峭，波峰都削没了)(如果信道的频带越宽，则能够通过的信号的高频分量就越多)

3. 传输距离越远，信号经过传输后的失真就越严重。

4. 噪声干扰越大，信号经过传输后的失真就越严重。

5. 传输媒体质量越差，信号经过传输后的失真就越严重。

奈氏准则

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/秒

W：信道的频率带宽（单位为Hz）**

Baud：波特，即码元/秒*

码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。

波特率与比特率有一定的关系:

波特率 * (单个码元携带比特数) = 比特率

Q：采用复杂调制技术可以无限增加传输速率吗？

A： 不可以。因为噪声会影响码元的识别。越复杂的调制技术，收到噪声的影响越大。

香农公式

• 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率

• 信道的频率带宽W或信道中的信噪比S/N越大，信道的极限信息传输速率C就越高

• 实际信道中能够达到的信息传输速率，要比香农公式给出的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰减等，这些因素在香农公式中并未考虑。

2.7信道复用技术

复用（Multiplexing）就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。

1. 频分复用FDM

2. 时分复用TDM

3. 波分复用WDM（光的频分复用）（密集波分复用DWDM）

4. 码分复用CDMA（CDMA的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。）

   CDMA最初用于军事通信，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。

   CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片（Chip）

   CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列

   • 某个站要发送比特1，则发送它自己的m比特码片序列；

   • 某个站要发送比特0，则发送它自己的m比特码片序列的反码。

     如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加。为了从信道中分离出每个站的信号，给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则：

     分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列。

     分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化內积为0。