2.0 前言

笔记内容来自计算机网络课程PPT；习题来自 计算机网络（第8版），谢希仁 ；整体格式由Deepseek R1润色

在第二章物理层的内容中，涉及的各种概念极多，需要自行理解

2.1 物理层的基本概念

  • 位置：网络体系的最底层

不是具体传输媒体，也不是具体连接计算机的具体物理设备

  • 功能：如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
  • 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)
  • 主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性

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数据终端设备（DTE） 数据电路终结设备（DCE）

物理层协议是DTE和DCE间的约定，规定了标准化的DTE/DCE皆有具有的特性：

(1)机械特性

(2)电气特性

(3)功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义，定义接线器的每一引脚（针，pin）的作用

(4)过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

  • 三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）

数据通信常用术语：

  • 通信是在源点与终点之间传递消息或者信息，但消息和信息有着不同的概念
  • 消息是指能向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字、符号、数据、等（能被通信双方理解的同时也可以相互传递）
  • 信息是指包含在消息中对通信者有意义的部分内容，消息是信息的载体
  • 数据是指对某一事实的不经解释并赋予一定含义的数字、字母、文字等符号及其组合的原始表达，是运送消息的实体，分为模拟数据和数字数据
  • 信号是消息的载体（比如光信号、电信号），是数据的电气的或电磁的表现 电信号有模拟信号和数字信号

2.2.2 有关信道的几个基本概念

  • 信道：信号传播的通道（传输媒介），按照数据信号在信道上的传送方向与时间的关系，传输方式可分为三类：

    • 单向通信（单工通信）
    • 双向交替通信（半双工通信） 双方不能同时发送，也不能同时接收
    • 双向同时通信（全双工通信）

  • 基带信号（基本频带信号）

    • 信源发出的没有经过调制的原始信号
    • 包含较多低频成分，甚至有直流成分

  • 调制：让信号可以在相应信道中传输

    • 基带调制（编码 Coding）：仅对基带信号的波形进行变换 数字信号->另一种形式的数字信号
    • 带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号

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  • 码元：在使用时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

    • 使用二进制编码时，只有两种不同码元：0状态、1状态
    • 1码元可以携带多个比特的信息量
    • 当码元的离散状态有M个时（M>2），此时码元称作M进制码元

（1）常用编码方式

  • 不归零制：正电平代表1,负电平代表0
  • 归零制：正脉冲代表1,负脉冲代表0
  • 曼彻斯特：位周期中心向上跳变代表0,向下跳变代表1。也可以反过来定义
  • 差分曼彻斯特：在每一位的中心处均有跳变。位开始边界有跳变代表0,没有跳变代表1

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1.曼彻斯特编码产生的频率比不归零制高

2.不归零制没有自同步能力，而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力

（2）基本的带通调制方法

  • 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化
  • 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化
  • 调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化

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  • 正交振幅调制(QAM)

2.2.3 信道的极限容量

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失真的原因：

信号的传输距离远、传输媒体质量差、噪声干扰（环境干扰、人为恶意干扰）、码元传输速率高（不可能以任意高速率进行传送）

限制码元在信道上的传输速率的两个因素：

  • 信道能够通过的频率范围
  • 信噪比 $S/N$

(1)信道能够通过的频率范围

奈氏准则：
  • 带宽为 $W(Hz)$ 的理想低通信道（无噪声、带宽受限）中，码元传输的最高速率 = $2W$（码元/秒）
  • 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，没有对信息传输速率做出限制，因此：
  • $v$进制码元情况下，理想低通信道的极限数据传输速率 = $2Wlog_{2}v(b/s)$

信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么可以用更高的速率传输码元而不出现码间串扰

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限

(2)信噪比

信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为$S/N$，用分贝(db)作为度量单位

信噪比(dB) $= 10log_{10}(S/N) (dB)$

香农定理：

在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率可表示为

​ $C = Wlog_{2}(1+S/N)(bit/s)$

  • 香农公式表明：信道带宽或信道中的信噪比 S/N 越大，则信息的极限传输速率就越高

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2.3 物理层下面的传输媒体

  • 传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路

  • 两大类：

    • 导引型传输媒体
    • 非导引型传输媒体：指自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输

2.3.1 导引型传输媒体

1.双绞线
  • 将两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来
  • 绞合度越高，可用的数据传输率越高（3类线、5类线）

  • 根据是否有屏蔽层分为两大类：

    • 无屏蔽双绞线 UTP
    • 屏蔽双绞线 STP （必须有接地线）
  • 一般双绞线所指最长传输距离：100m（6A线、7类线）
2.同轴电缆
  • 内导体铜质芯线、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层、保护塑料外层组成
  • 具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据
3.光缆
  • 光纤之父高锟 2009年诺贝尔物理学奖
  • 光纤是光纤通信的传输媒体。通过传递光脉冲来进行通信
  • 其传输带宽远远大于目前其它各种传输媒体的带宽

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  • 发送端：要有光源，在电脉冲的作用下产生出光脉冲

    • 光源：发光二极管、半导体激光器等
  • 接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲
  • 光纤可分为：多模光纤、单模光纤
  • 常用三个波段的中心：850nm 1300nm 1550nm 均具有25000~30000Ghz的带宽

优点与缺点：

优点：

  • 通信容量非常大
  • 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
  • 体积小，重量轻（但在实际使用中外层保护层会比较重）

缺点：

  • 质地脆，机械强度差
  • 连接困难
  • 弯曲半径不能过小
  • 分路、耦合不灵活
  • 怕水

2.3.2 非导引型传输媒体

即无线传输

1.无线电微波通信
  • 占有特殊重要的地位
  • 微波频率范围：300Mhz~300Ghz 主要使用：2~40Ghz
  • 在空间主要是以直线传播
  • 微波接力：远距离微波通信，中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站
2.卫星通信

同步卫星：

  • 通信容量大、距离远、稳定，通信费用与通信距离物馆
  • 传播时延较大、保密性相对较差、造价较高
  • 案例：中国北斗卫星导航系统(BDS)、美国全球定位系统(GPS)等等

低轨道卫星(近地卫星)通信系统：

  • 案例：空中互联网系统、全球星系统、星链互联网系统Starlink等等

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

Q1.为什么要信道复用？

  • 信道资源是有限的，实际网络中多对用户往往需要利用相同信道资源传输信息
  • 不同的信号同时在同一信道中传输会产生严重的相互干扰，导致传输失败

Q2.什么是信道复用？

  • 多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道中进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率
  • 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