计算机网络之物理层——基于《计算机网络》谢希仁第八版

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        计算机网络体系结构的物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特零和一的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流。所谓透明，是指数据链路层看不见也无需看见物理层究竟用的是什么方法来传输比特零和一，他只管享受物理层提供的比特流传输服务。

       此外物理层是计算机网络体系结构中最底层的层次，负责在物理媒介上传输原始的比特流。它的主要任务是将数据链路层传递下来的数据封装成适合在物理媒介上传输的信号，并确保这些信号能够被接收端正确地解码。

一、物理层的基本概念及主要任务

        物理层主要关注数据的传输方式和传输介质的特性。它定义了数据传输的机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。具体而言，物理层需要解决以下问题：

        机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、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（传输速度、距离限制）；

        功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义（规定接口的信号线作用）；

        过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序（时序关系）。

        通过定义这些特性，物理层为数据链路层提供了透明的比特流传输服务，使得上层协议可以在不同的物理媒介上进行通信，而无需关心底层的具体实现细节。其次物理层的主要任务包括：

        比特流的传输：物理层负责将数据链路层传递下来的比特流转换为适合在物理媒介上传输的信号，并在接收端将这些信号转换回比特流。 物理连接的建立、维持和释放：物理层需要管理物理连接的生命周期，包括连接的建立、维持和释放。信号的编码和调制：物理层需要将比特流编码为适合传输的信号，并可能需要对信号进行调制，以适应不同的传输媒介。传输速率的控制：物理层需要控制数据的传输速率，以适应不同的传输媒介和设备的能力。

二、数据通信的基本知识

        在深入了解物理层之前，首先需要掌握一些数据通信的基本概念。

2.1 数据通信系统的模型

        一个典型的数据通信系统包括源系统、传输系统和目的系统。源系统负责生成要传输的数据，传输系统负责将数据从源系统传输到目的系统，目的系统负责接收并处理数据。

        源系统一般包括一下两个部分：
        （1）源点(source)：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC机的键盘输入汉字，PC机产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
        （2）发送器：通常源点产生的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在好多PC机使用内置的调制解调器(包括调制器和解调器)，用户在PC机外面看不见调制解调器。
        目的系统一般包括一下两个部分：
        （1）接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
        （2）终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。

2.2 信道的概念

        信道是指用于传输信息的物理媒介。根据传输方向的不同，信道可以分为单工、半双工和全双工。单工信道只能单向传输，半双工信道可以双向传输但不能同时进行，全双工信道则可以同时双向传输。

 2.3 编码与调制

        在实际通信系统中，编码和调制通常是结合使用的，以实现更高的传输效率和可靠性。例如，在无线通信中，常采用自适应调制与编码（AMC，Adaptive Modulation and Coding）技术，根据信道条件动态调整编码和调制方式，以优化传输性能。

        计算机需要处理和传输用户的文字图片音频和视频，他们统称为消息，而数据是运送消息的实体，相较于人类比较熟悉的十进制数据，而计算机只能处理二进制数据，也就是比特零和比特一。

        计算机中的网卡将比特零和比特一变换成相应的电信号发送到网线，也就是说信号是数据的电磁表现。由信源发出的原始电信号称为基带信号，基带信号又可分为两类：

        （1）数字基带信号，例如计算机内部CPU与内存之间传输的信号；

        （2）模拟基带信号，例如麦克风收到声音后产生的音频信号。

        此外信号需要在信道中进行传输，信道可分为数字信道和模拟信道两种。在不改变信号性质的前提下，对数字基带信号波形进行变换，称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输；把数字信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为调制。调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道传输。

2.3.1 基本调制方法介绍

（1）常用编码方式

不归零制：正是1，负是0
归零制：正脉冲是1，负脉冲是0
曼切斯特编码：位周期中心向上跳是0，向下是1
查分曼切斯特：中心都跳变，边界跳变是0，不跳变是1

（2）调制方法

        调制是将信息信号转换为适合在传输媒介上传输的形式的过程。其主要目的是使信号能够在特定的传输媒介上有效传播，并抵抗噪声和干扰。

        模拟调制是通过改变载波信号的某一特性（如幅度、频率或相位）来表示信息信号的过程。 常见的模拟调制方式包括：

        调幅（AM）：通过改变载波的幅度来表示信息信号；

        调频（FM）：通过改变载波的频率来表示信息信号；

        调相（PM）：通过改变载波的相位来表示信息信号。

       数字调制是将数字信息映射到模拟信号的过程。 常见的数字调制方式包括：

        幅度键控（ASK）：通过改变载波的幅度来表示不同的数字状态；

        频率键控（FSK）：通过改变载波的频率来表示不同的数字状态；

        相位键控（PSK）：通过改变载波的相位来表示不同的数字状态；

        正交幅度调制（QAM）：结合幅度和相位调制，在同一频率上同时传输多个比特。

2.4 信道的极限容量

         香农定理（Shannon Theorem）是信息论的基石之一，它指出，信道的最大传输速率与信道带宽和信噪比有关。具体而言，信道的最大传输速率等于带宽乘以信噪比的对数值。

（1）香农定理的公式

        在加性高斯白噪声（AWGN）信道中，信道的最大传输速率（即信道容量）C与信道带宽B和信噪比S/N之间的关系可以用以下公式表示：

        C：信道容量，单位为比特每秒（bps）。
        B：信道带宽，单位为赫兹（Hz）。
        S：信号功率，单位为瓦特（W）。
        N：噪声功率，单位为瓦特（W）。
        S/N：信噪比，即信号功率与噪声功率的比值。

        该公式表明，信道的最大传输速率取决于信道的带宽和信噪比。增大带宽或提高信噪比都可以提高信道的容量。然而，增大带宽时，噪声功率也会相应增加，因此，信道容量的提升并非线性。

（2）香农极限

        在给定的信道带宽和信噪比条件下，存在一个理论上的最大传输速率，即香农极限。当传输速率接近或达到香农极限时，误码率会急剧增加。因此，实际通信系统的设计需要在传输速率和误码率之间进行权衡。它告诫工程人员，在有噪声的实际信道上，无论采用多么复杂的编码技术，都不能突破上述公式给出的信息传递速率的绝对极限。

三、物理层的传输媒体

        传输媒体又称介质，物理层使用不同的传输媒体来传输信号，主要包括：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

3.1 导引型传输媒体

（1）双绞线

        比较古老但是常用，即把两根互相绝缘的铜导线排放在一起，用规则的方法绞合(twist)起来构成双绞线，绞合度越高，数据传输率越高。

（2）同轴电缆

        由内导体、绝缘层、外导体和外护套组成，抗干扰能力强，适用于长距离传输。

（3）光纤

        光纤凭借其高带宽、长距离传输、抗干扰、安全性、轻便性和耐腐蚀性，成为现代通信系统中不可或缺的关键组件。

3.2非导引型传输媒体

（1）无线电波

        无线电波通信利用电磁波在空间传播，实现信息的远距离传输。它广泛应用于广播、电视、移动通信和卫星通信等领域。

        无线电波通信的优势包括：

• 无需物理介质：信息通过电磁波在空间传播，无需依赖物理线路；

• 覆盖范围广：能够覆盖广阔的地理区域，适用于远距离通信；

• 适应性强：可在各种环境条件下工作，适应性强。

（2）微波接力

        微波接力指中继站把前一站发送的信号放大后再发送到下一站。微波是频率范围约为300 MHz至300 GHz的电磁波，波长介于1米至1毫米之间。其具有直线传播、易于定向和穿透性强等特性。微波广泛应用于通信、雷达、加热等领域。

        微波的主要特性：

• 直线传播：微波沿直线传播，遇到障碍物时会被反射或吸收。

• 高频率：微波的频率高于无线电波，低于红外线。

• 穿透性强：微波能够穿透云层、雨雪等天气条件，适合用于卫星通信。

（3）卫星通信

        卫星通信利用人造地球卫星作为中继站，通过转发或反射无线电波，实现地球站之间的通信。这种方式突破了地理限制，提供了广泛的覆盖范围，特别适用于偏远地区和海上通信。

        卫星通信的主要特点：

• 广泛覆盖：卫星通信能够覆盖地球表面的大部分区域，尤其适用于地面通信设施难以到达的地区。

• 高带宽：卫星通信系统通常提供较大的带宽，支持高速数据传输，满足视频会议、互联网接入等高数据率应用的需求。

• 稳定性：卫星通信系统的中继站位于太空，受地面天气和地理条件影响较小，通信质量相对稳定。

        不同的传输媒体具有不同的特性，如带宽、传输距离、抗干扰能力和成本等。物理层需要根据具体的应用场景选择合适的传输媒体。

四、信道复用技术

        

4.1 频分复用（FDM）

        将信道的带宽划分为多个子带宽，每个子带宽用于传输不同的信号。

4.2 时分复用（TDM）

        将时间划分为多个时隙，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，其中，TDM信号为等时信号。

4.3 波分复用（WDM）

        在光纤通信中，使用使用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号，使光纤的传输能力成倍提高。

4.4 码分复用（CDM）

        在CDM中，每个用户被分配一个唯一的码字，这些码字通常是正交的，即它们之间的内积为零。这种正交性确保了各用户信号的相互干扰最小化。发送时，用户的数据信号与其对应的码字进行乘法调制，生成扩频信号。接收端通过与相应的码字进行匹配解调，恢复出原始数据信号。

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