计网--物理层

目录

物理层的任务

1、常见概念

2、信道极限容量

3、传输介质

（1）导引型传输介质

（2）非导引型传输介质

4、信道复用技术

（1）频分 / 时分 复用

（2）波分复用WDM

（3）码分复用CDM

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物理层的任务

物理层的作用是，在硬件之间传输比特流，同时屏蔽掉硬件与传输介质之间的数据传输的差异，将之统一，为上层数据链路层提供统一的服务。
这样上层就不用考虑下层物理层的差异，而只需要考虑本层的任务。
因此，物理层的任务，就是统一各个硬件之间比特流传输的工作
统一什么？
机械：各种接口形状、尺寸等标准
电气：电线的电压范围
功能：一条线的电压多大，表示什么意思，例如高电为1，低点为0
过程：各种功能的协调和安排

1、常见概念

源端：产生数据
发送器：对数据编码
接收器：对接受数据处理
终端：接受数据
消息：语音、文字、数字、视频等
数据：运送消息的实体，是一个实体
信号：数据的电气 / 电磁表现，是数据传输过程的表现
信道：向某一个方向传输信号的媒体（介质）

单工通信：只有一个方向
半双工通信：双向，但同时只能有一个方向传
全双工通信：双向，双方可同时发送 / 接受消息

基带信号：来自信源的信号
调制：
基带调制：对波形调制，以适应信道；数字信号转数字信号，也称编码
带通调制：使用载波调制，数字信号转为模拟信号，调制后的信号称为带通信号

常见编码方式
不归零制：1正电，0负电
归零制：正脉冲1，负脉冲0
曼彻斯特：上跳1，下跳0
差分曼彻斯特：位开始边界有跳0，没有跳1

编码方式	表示方式	特征描述
不归零制	1: 正电，0: 负电	使用电平状态表示二进制，1表示正电压，0表示负电压。
归零制	1: 正脉冲，0: 负脉冲	每个比特周期内都有一个脉冲，1表示正脉冲，0表示负脉冲。
曼彻斯特编码	1: 上跳，0: 下跳	每个比特周期都有一个跳变，1表示从低到高跳变，0表示从高到低跳变。
差分曼彻斯特编码	开始边界跳变: 0，无跳变: 1	以边界的跳变表示比特，位开始边界有跳变表示0，没有跳变表示1。

基本带通调制方法
调幅（AM）：振幅随基带信号变化
调频（FM）：频率随基带信号变化
调相（PM）：初始相位随基带信号变化

2、信道极限容量

码间串扰：信号衰减，波形起伏不清晰，不陡峭，不分明，不易识别 / 无法识别

影响信道数据传输速率因素：信道频率范围、信噪比

噪声无处不在
噪声影响信号判断，例如0 / 1 误判

信噪比：信号平均功率 / 噪声平均功率
比值为分贝，dB

信道带宽 / 信噪比 越大，信息极限传输速率越快

频带宽度确定，可让每一个码元携带更多信息量来提高传输速率

香农公式：

3、传输介质

传输媒体也称传输介质，就是物理通路，例如电线

传输介质可分两类：导引型 和 非导引型
导引型：例如电磁波随着铜线 / 光纤走，被引导

（1）导引型传输介质

双绞线、同轴电缆、光缆

双绞线：两根互相绝缘的铜导线互相缠绕

使用双绞线最多的是电话线
用户电话机到交换机的双绞线叫用户线
电缆：一定数量的双绞线捆在一起
放大器：放大衰减的信号
中继器：调整失真的数字信号

双绞线分类：
无屏蔽双绞线
屏蔽双绞线：使用金属编织层屏蔽
所有屏蔽双绞线必须接地线

同轴电缆：

光缆

光纤：石英玻璃拉成丝构成纤芯，外加包层
光纤碰到包层发生折射，不断重复，以此传播
多模光纤：多条不同角度光线同时射入
特点：

特点	描述
高带宽	支持极高的数据传输速率，超过传统铜缆。
远距离传输	衰减小，单模光纤可实现超过100公里的传输。
抗干扰性	不受电磁干扰和射频干扰，信号传输稳定。
安全性	光信号难以被窃听，具有良好的信息安全性。
轻便性和小尺寸	相比于铜缆更轻更细，易于安装和维护。
耐腐蚀性	材料对化学物质的耐受性强，适用于恶劣环境。
低能耗	传输能量损耗较低，节省长距离传输的能量成本。
传输质量高	在长距离上传输高质量信号，减少失真和噪声。
多通道传输	利用波分复用技术同时传输多个信号，提高传输容量。
环保性	材料对环境友好，不会引起环境污染。

（2）非导引型传输介质

无线传输：基站传播电磁波
多径效应：信号在基站和用户手机之间反射多次，信号发生失真
误码率：信号错误的比例
信噪比越大，误码率越低，例如大声说话，听的越清

微波接力：远距离传输之间使用中继器放大信号

别	特点	描述
优点	频率高、频段广	光纤支持极高的频率和宽广的频段，传输能力强。
	抗电干扰性	对工业和天电干扰小，传输质量高，信号稳定。
	经济性	在大规模数据传输中，光纤的成本效益较高。
缺点	直视要求	相邻站点必须直视，限制了某些部署场景。
	隐蔽性和保密性差	相比于其他传输方式，光纤的隐蔽性和保密性较低。
	受恶劣天气影响	恶劣天气条件可能影响光纤传输的稳定性。
	中继站建设费用高	建设中继站需要较高的费用，增加了总体投资。

卫星通信：利用同步轨道卫星作为中继器，做微波接力
特点：传播时延大

4、信道复用技术

（1）频分 / 时分 复用

频分复用FDM

N路信号在同一信道传输，通过调制，各自有合适频率位置，互不打扰
同样的时间，占用不同的带宽资源

时分复用TDM

将时间划分，每一段时间为TDM帧，你用一段时间，用完换我用
不同时间，占用相同的带宽

频分多址：多个用户个使用一个频道
时分多址：多个用户轮流使用TDM帧

（2）波分复用WDM

一个光纤同时传播多路信号，
光信号经过调制之后，各自在一个波长段传输，互不影响
从而实现并行传输

（3）码分复用CDM

每个用户可以在同样的时间使用同样的频道通信

原理：

每一个比特时间被分为m个时间，称为码片；一般m是64  / 128
每一个站 / 用户被分配唯一的码片，发送1，则发送码片；发送0，则发送码片反码
为方便，将码片0记作-1， 1记作1

现在发送信息数据率为s，但因为每一个比特要分为m个码片，实际数据率为ms，这叫做扩频，直接序列扩频

各个码片必须正交，内积为0
码片的反码也必须正交

如何判断谁发了信号？
接收方使用发送方的码片和接收到的信号进行内积，结果为0，则不是

如何判断接受信号是1还是0？
使用发送方码片和接收信号作内积，再/8
结果为1，传1；结果为-1，传0