【原】吐血整理《计算机网络五层协议之物理层（中）》

吐血整理 《计算机网络 五层协议之物理层（上）》

吐血整理 《计算机网络 五层协议之物理层（下）》

物理层（中篇）

你了解的越多，不理解的就越多，你的点赞就是对我最大的支持

1.信道的基本概念（续）

1.1信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及 带来多种干扰。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的 波形的失真就越严重。
• 数字通信的优点：在接收端只要我们能从失真的波形识别出原来的 信号，这种失真对通信质量就没有影响。 信

在接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限，这种现象叫做码间串扰。

1.2.信道能够通过的频率范围

• 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
• 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

1.2.1 奈氏准则

1)奈氏(Nyquist)准则
理 想 低 通 信 道 的 最 高 码 元 传 输 速 率 = 2 W B a u d 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2 W Baud 理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud

• ​ W 是理想低通信道的带宽，单位为赫兹(Hz)
• 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。
• Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1 波特为每秒传送 1 个码元。

2)注意区分

• 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显地低于奈氏准则给出上限数 值。

• 波特(Baud)和比特(bit)是两个不同的概念。

• 波特是码元传输的速率单位（每秒传多少个码元）。码元传输速率也称 为调制速率、波形速率戒符号速率。

• 比特是信息量的单位。

3) 要注意 “比特/秒”与“波特”的关系**

• 信息的传输速率“比特/秒”不码元的传输速率“波特”在数量上有一定的 关系。

• 若 1 个码元只携带 1 bit 的信息量，则“比特/秒”和“波特”在数值上相 等。

• 若 1 个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信 息传输速率为
  M ∗ n b / s 。 M * n b/s。 M∗nb/s。

码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高信息的传输 速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量。这就 需要采用多元制的调制方法。

限制码元在信道上的传输速率的因素：

1.3信噪比

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
• 如果信号相对较强，噪声的影响就相对较小。
• 信噪比是信号的平均功率S和噪声的平均功率N之比，常记为 S/N ，单位是 分贝(dB)。

信 噪 比 ( d B ) = 10 l 0 g 1 0 ( S / N ) ( d B ) 已 知 S / N = 10 ， 则 信 噪 比 为 10 d B ； 若 信 噪 比 为 30 d B ， 则 S / N = 1000 信噪比(dB)=10l0g_10( S / N ) (dB) 已知 S / N =10，则信噪比为10dB； 若信噪比为30dB，则 S / N =1000 信噪比(dB)=10l0g1​0(S/N)(dB)已知S/N=10，则信噪比为10dB；若信噪比为30dB，则S/N=1000

1.4香农公式

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了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。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C = W l o g 2 ( 1 + S / N ) b / s C = W log_2(1+S/N) b/s C=Wlog2​(1+S/N)b/s

• W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
• S 为信道内所传信号的平均功率；
• N 为信道内部的高斯噪声功率。

1.4.1香农公式表明

• 信道的带宽戒信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
• 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种 办法来实现无差错的传输。
• 若信道带宽 W 戒信噪比 S / N 没有上限（当然实际信道不可能是这样 的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
• 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少

2.物理层的功能是实现比特流的传输

物理层把比特流传送到物理层下面的传输媒体上

传输媒体也称为传输介质，是数据传输系统 中在収送器和接收器之间的物理通路。

传输介质按照是否有形可分为两大类：

• 导引型传输介质（有线传输介质）
• 非导引型传输介质（无线传输介质

2.1有线传输介质

2.2.1双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，逆时针方向绞合（twist）而成。

消除：近端串扰Crosstalk

绞距（扭距） 绞距越紧（小），越均匀， 则抵销效果越好，传输性能越好

使用双绞线最多的地方就是电话系统。连接用户电话机到电话交换机的 双绞线称为用户线或用户环路（subscriber loop）。

1. 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)

   屏蔽双绞线 (STP)是在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织的金属箔屏 蔽层，以提高双绞线抗电磁干扰能力减少串音。

2. 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

   • 无屏蔽双绞线 UTP(Unshielded Twisted Pair) 是最常用的网络介质。 在 LAN 中，UTP 电缆由多对有彩色标记的电线组成。这些电线绞合在一起， 并用软塑料套包裹，以避免受到物理损坏。 电线的绞合有助于防止其他电线的 信号干扰。
   • UTP 布线通过 RJ-45 连接器端接网络主机不网络互联设备（交换 机或路由器）的互连。
   3. 双绞线的特点
      • 使用RJ45连接网络主机和网络交换结点；
      • 结构简单，容易安装，节省空间，普通UTP较便宜；
      • 有一定的传输速率；
      • 信号衰减随频率的升高而增大，连接传输距离较短（100m）；
      • 抗干扰性一般，有辐射，容易被窃听。

2.2.2同轴电缆

组成

同轴电缆包括以下组成部分：

1. 一根用于传输电子信号的内导体铜质导线。
2. 铜导线由塑料绝缘层包裹起来。
3. 绝缘材料的表皮是铜线编织的外导体屏蔽层，可减少许多外部电磁干扰。
4. 整个电缆由绝缘保护套层覆盖，使其免于物理损坏。

分类

• 基带同轴电缆（50同轴电缆）

主要用在数据通信中传送基带数字信号。

• 宽带同轴电缆（75 同轴电缆）

这种同轴电缆用于模拟传输系统，它是有线电视系统CATV中的标准传 输电缆。在这种电缆上传送的信号采用了频分复用的宽带信号。 一条电缆 同时传输丌同频率的多路模拟信号，其频率可达500MHz以上，传输距离 可达100km，需要用到放大器来放大模拟信号

• 50 欧 同轴电缆
• 75 欧 同轴电缆

同轴电缆分为粗缆和细缆

建立一个粗缆以太网需要的硬件设备 ：

（1）必须带有AUI（Attachment Unit Interface）接口 （15针D型接口）的网卡。

（2）收发器（Transceiver）

（3）收发器电缆：用于连接结点和外部收发器，常称为 AUI电缆。

（4）电缆系统：

粗缆（RG-11 A/U）

N-系列连接器插头

N-系列桶型连接器

N-系列终端匹配器

同轴电缆的特点

1. 频带较宽，传输率较高。
2. 损耗较低，传输距离较远(200m,500m)。
3. 辐射低，保密性好，抗干扰能力强。
4. 架设安装方便，容易分支。
5. 宽带电缆可实现多路复用传输。
6. 同轴电缆不双绞线比较，价格贵，但带宽、数据速率高、传输距离长、抗 干扰能力强。
7. 目前高质量的同轴电缆的带宽已接近１GHz，主要用在有线电视网的居民 小区中。

2.2.3光缆

光纤是一根很细的可传导光线的纤维媒体，其半径仅几微米至几百微米。

光纤通常由非常透明的石英玱璃拉成细丝，每根光纤主要由纤芯和包层 构成双层通信圆柱体，而后一根或多根光纤再由外皮包裹构成光缆。

光纤通信

就是利用光纤传递光脉冲来进行通信。

光传输系统：发送端光源、介质、接收端光检测器

光源: 850nm/1300nm/1500nm

​ 发光二极管 / 激光二极管

• 介质: 光纤 光检测器: 光电二极管PIN
• 光纤：纤芯-折射率高、玱璃包层-折射率低
• 亮度调制，有脉冲表示1，无脉冲表示0
• 单向传输，双向需两根光纤

光纤的特点

• 依靠光波承载信息

• 速率高，通信容量大 仅受光电转换器件的限制（＞100Gb/s）

• 传输损耗小，适合长距离传输

• 不受电磁干扰，抗干扰性能极好，无辐射，保密性好

• 轻便

• 光纤断裂的检测和修复都很困难

• 2.2 无线传输介质

无线传输所使用的频段很广。

短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

• 无线传输介质

  • 短波通信 （即高频HF无线电通信）

• 微波通信

  • 地面微波接力通信

  • 卫星通信

2.3小结

1. 传输介质分导引型（有线）和非导引型（无线）两类
2. 光纤和UTP具有各自的特点和优势 网络干线上大量使用光纤 用户桌面的接线大量使用UTP
3. 选择传输介质时需综合考虑多种因素，满足用户使用 需求和环境要求，提高性价比。

3.信道复用技术

主要包括有：频分复用、时分复用和统计时分复用 ，接下来揭秘开始，

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

3.1频分复用 FDM

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

3.2 时分复用（TDM）

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。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。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。

TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

3.3 码分复用 CDM

常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

CDMA技术起源于1942年好莱坞明星海蒂·拉 玛和其丈夫钢琴家乔治·安塞尔的受钢琴声音的 启发，提出了利用扩频技术避免干扰的方法，并获得了秘密通讯发明专利。
CDMA、蓝牙、WiFi技术基于此专利方法。

3.3.1码分多址（CDMA）

CDMA可提高通话质量和数据传输的可靠性，减少干扰，增 大通信系统的容量（是使用全球秱动通信系统GSM的4~5 倍），降低手机的平均发射功率。

3.3.2码片序列的概念

• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)。
• 每个站被指派一个惟一的 m bit 码片序列。
• 如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
• 如发送比特 0，则发送该码片序列的二迚制反码。
• 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
• 发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
• 发送比特 0 时，就发送序列 11100100。
  按惯例将码片中的0写为-1，将1写成+1， S 站的码片序列是：
  (–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

3.3.3扩频通信

假定S站要发送信息的数据率为b bit/s，由亍每个比特要转换成m比特的码片序列， 因此S站发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来 数值的m倍。这种通信方式称为扩频（spread spectrum）通信。

码分多址CDMA，通过不同的扩频码来实现多用户在同一时间同一频率上共享信 道。即各用户在相同的时间使用相同的频带。

• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
• 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似与白噪声，不易被发现

3.3.4CDMA 的重要特点

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须 互相正交(orthogonal)。

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

3.3.5码片序列的正交关系

1. 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。

2. 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：

   

3. 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 。

   

4. 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1

3.3.6 CDMA 的工作原理

假定有个X站要接收S站发送的数据，X站必须知道S站的码片序列。X站 使用得到的码片向量S不接收到的未知

信号进行求内积的计算。X站接收 到的未知信号是各个站发送的码片序列之和。

根据公式（2-1）和（2-2），再根据叠加原理，求内积得到的结果是：

所有其他站的信号都被过滤掉，而只剩下S站发送的信号。

1. 当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1；
2. 当S站发送比特0时，内积的结果是-1；
3. 当S站不发送数据时，内积的结果是0

3.4 小结

每种复用技术都有自己的特点:

• 频分多路复用技术FDM

• 波分多路复用WDM、密集波分多路复用 DWDM

  n波分复用就是光的频分复用。

• 时分多路复用技术TDM、统计时分多路复 用STDM

• 码分多址复用CDMA

码片序列之和。

根据公式（2-1）和（2-2），再根据叠加原理，求内积得到的结果是：

[外链图片转存中…(img-yzwgQNH9-1584271339564)]

所有其他站的信号都被过滤掉，而只剩下S站发送的信号。

1. 当S站发送比特1时，在X站计算内积的结果是+1；
2. 当S站发送比特0时，内积的结果是-1；
3. 当S站不发送数据时，内积的结果是0

3.4 小结

每种复用技术都有自己的特点:

• 频分多路复用技术FDM

• 波分多路复用WDM、密集波分多路复用 DWDM

  n波分复用就是光的频分复用。

• 时分多路复用技术TDM、统计时分多路复 用STDM

• 码分多址复用CDMA