目錄

• 1 物理層的基本概念
• 2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)
• • 2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型
  • 2.2 幾個(gè)專業(yè)術(shù)語
  • 2.3 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念
  • 2.4 基帶(baseband)信號(hào)和帶通(band pass)信號(hào)
  • 2.5 幾種最基本的調(diào)制方法
  • 2.6 信道的極限容量
  • • 2.6.1 信道能夠通過的頻率范圍
    • 2.6.2 信噪比
    • 2.6.3 香農(nóng)公式的意義
• 3 物理層下面的傳輸媒體
• • 3.1 導(dǎo)向傳輸媒體
  • • 3.1.1 雙絞線
    • 3.1.2 同軸電纜
    • 3.1.3 光纜
• 4 信道復(fù)用技術(shù)
• • 4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用
  • 4.2 頻分復(fù)用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
  • 4.3 時(shí)分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)
  • • 4.3.1 時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi)
  • 4.4 波分復(fù)用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)
  • 4.5 碼分復(fù)用 CDM (Code Division Multiplexing)
  • • 4.5.1 碼片序列(chip sequence)
    • 4.5.2 CDMA 的工作原理
• 5 寬帶接入技術(shù)
• • 5.1 xDSL 技術(shù)
  • 5.2 xDSL 的幾種類型
  • 5.3 ADSL 非對(duì)稱數(shù)字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line）
  • • 5.3.1 ADSL 的極限傳輸距離
    • 5.3.2 ADSL 的特點(diǎn)
    • 5.3.3 DMT 技術(shù)
    • 5.3.4 ADSL 的數(shù)據(jù)率
    • 5.3.5 ADSL 的組成
  • 5.4 光纖同軸混合網(wǎng) HFC (Hybrid Fiber Coax)
  • • 5.4.1 HFC 網(wǎng)采用結(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)
  • 5.5 FTTx 技術(shù)

1 物理層的基本概念

物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：

• 機(jī)械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等等
• 電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍
• 功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義
• 過程特性：指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序

2 數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)

2.1 數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型

2.2 幾個(gè)專業(yè)術(shù)語

• 數(shù)據(jù)(data)：運(yùn)送消息的實(shí)體
• 信號(hào)(signal)：數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)
• “模擬的”(analogous)：代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的
• “數(shù)字的”(digital)：代表消息的參數(shù)的取值是離散的
• 碼元(code)：在使用時(shí)間域（或簡稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形

2.3 有關(guān)信號(hào)的幾個(gè)基本概念

• 單向通信（單工通信）：只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互
• 雙向交替通信（半雙工通信）：通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)
• 雙向同時(shí)通信（全雙工通信）：通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息

2.4 基帶(baseband)信號(hào)和帶通(band pass)信號(hào)

• 基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）：來自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)
• 帶通信號(hào)——把基帶信號(hào)經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）

2.5 幾種最基本的調(diào)制方法

基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制(modulation)最基本的二元制調(diào)制方法有以下幾種：

• 調(diào)幅(AM)：載波的振幅隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化
• 調(diào)頻(FM)：載波的頻率隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化
• 調(diào)相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號(hào)而變化
  

2.6 信道的極限容量

任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。碼元傳輸?shù)乃俾试礁?#xff0c;或信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。

• 有失真，但可識(shí)別
  
• 失真大，無法識(shí)別
  

2.6.1 信道能夠通過的頻率范圍

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?#xff0c;否則就會(huì)出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題，使接收端對(duì)碼元的判決（即識(shí)別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號(hào)高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。

2.6.2 信噪比

香農(nóng)(Shannon)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯(cuò)的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率 C 可表達(dá)為：

• $C=Wlo{g}_2(1+S/N)$ 單位 $b/s$
• $W$ 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）
• $S$ 為信道內(nèi)所傳信號(hào)的平均功率
• $N$為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率

2.6.3 香農(nóng)公式的意義

信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高

只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸

若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限

實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少

3 物理層下面的傳輸媒體

電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜：

3.1 導(dǎo)向傳輸媒體

3.1.1 雙絞線

• 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)
  
• 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)
  

3.1.2 同軸電纜

• 50 歐姆 同軸電纜
• 75 歐姆 同軸電纜
  

3.1.3 光纜

光線在光纖中的折射：

光纖的工作原理：

多模光纖與單模光纖：

• 多模光纖
  
• 單模光纖
  

4 信道復(fù)用技術(shù)

4.1 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

復(fù)用(multiplexing)是通信技術(shù)中的基本概念：

• 不使用復(fù)用技術(shù)
  
• 使用復(fù)用技術(shù)
  

4.2 頻分復(fù)用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。

頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）

4.3 時(shí)分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)

時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)用幀（TDM 幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。

每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是 TDM 幀的長度）。

TDM 信號(hào)也稱為等時(shí)(isochronous)信號(hào)。

時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。

注：A、B、C、D在 TDM 幀中的位置不變，始終是周期性的某一時(shí)間段

4.3.1 時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi)

使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM (Statistic TDM)

4.4 波分復(fù)用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用：

4.5 碼分復(fù)用 CDM (Code Division Multiplexing)

常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)

各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾

這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)

每一個(gè)比特時(shí)間劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱為碼片(chip)

4.5.1 碼片序列(chip sequence)

每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列：

• 如發(fā)送比特 1，則發(fā)送自己的 m bit 碼片序列。
• 如發(fā)送比特 0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼。

例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011：

• 發(fā)送比特 1 時(shí)，就發(fā)送序列 00011011
• 發(fā)送比特 0 時(shí)，就發(fā)送序列 11100100

S 站的碼片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

4.5.2 CDMA 的工作原理

5 寬帶接入技術(shù)

5.1 xDSL 技術(shù)

xDSL 技術(shù)就是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)。

雖然標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號(hào)的頻帶被限制在 300~3400 kHz 的范圍內(nèi)，但用戶線本身實(shí)際可通過的信號(hào)頻率仍然超過 1 MHz。

xDSL 技術(shù)就把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。

DSL 就是數(shù)字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數(shù)字用戶線上實(shí)現(xiàn)的不同寬帶方案。

5.2 xDSL 的幾種類型

• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對(duì)稱數(shù)字用戶線
• HDSL (High speed DSL)：高速數(shù)字用戶線
• SDSL (Single-line DSL)：1 對(duì)線的數(shù)字用戶線
• VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數(shù)字用戶線
• DSL ：ISDN 用戶線
• RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應(yīng) DSL，是 ADSL 的一個(gè)子集，可自動(dòng)調(diào)節(jié)線路速率）

5.3 ADSL 非對(duì)稱數(shù)字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line）

5.3.1 ADSL 的極限傳輸距離

ADSL 的極限傳輸距離與數(shù)據(jù)率以及用戶線的線徑都有很大的關(guān)系（用戶線越細(xì)，信號(hào)傳輸時(shí)的衰減就越大），而所能得到的最高數(shù)據(jù)傳輸速率與實(shí)際的用戶線上的信噪比密切相關(guān)。

例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 ~ 2.0 Mb/s 時(shí)可傳送 5.5 公里，但當(dāng)傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時(shí)，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。

如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里

5.3.2 ADSL 的特點(diǎn)

• 上行和下行帶寬做成不對(duì)稱的。
• 上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。
• ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個(gè) ADSL 調(diào)制解調(diào)器
• 我國目前采用的方案是離散多音調(diào) DMT (Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)。這里的“多音調(diào)”就是“多載波”或“多子信道”的意思。

5.3.3 DMT 技術(shù)

• DMT 調(diào)制技術(shù)采用頻分復(fù)用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個(gè)子信道用于上行信道，而 249 個(gè)子信道用于下行信道。
• 每個(gè)子信道占據(jù) 4 kHz 帶寬（嚴(yán)格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調(diào)）進(jìn)行數(shù)字調(diào)制。這種做法相當(dāng)于在一對(duì)用戶線上使用許多小的調(diào)制解調(diào)器并行地傳送數(shù)據(jù)。
• DMT 技術(shù)的頻譜分布：
  

5.3.4 ADSL 的數(shù)據(jù)率

由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此 ADSL 采用自適應(yīng)調(diào)制技術(shù)使用戶線能夠傳送盡可能高的數(shù)據(jù)率。

當(dāng) ADSL 啟動(dòng)時(shí)，用戶線兩端的 ADSL 調(diào)制解調(diào)器就測(cè)試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個(gè)頻率上測(cè)試信號(hào)的傳輸質(zhì)量。

ADSL 不能保證固定的數(shù)據(jù)率。對(duì)于質(zhì)量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。

通常下行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數(shù)據(jù)率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。

5.3.5 ADSL 的組成

• 數(shù)字用戶線接入復(fù)用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)
• 接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)
• ATU-C（C 代表端局 Central Office）
• ATU-R（R 代表遠(yuǎn)端 Remote）
• 電話分離器 PS (POTS Splitter)

5.4 光纖同軸混合網(wǎng) HFC (Hybrid Fiber Coax)

HFC 網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng) CATV 的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。

HFC 網(wǎng)除可傳送 CATV 外，還提供電話、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互型業(yè)務(wù)。

現(xiàn)有的 CATV 網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對(duì)電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸。而 HFC 網(wǎng)則需要對(duì) CATV 網(wǎng)進(jìn)行改造

5.4.1 HFC 網(wǎng)采用結(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)

5.5 FTTx 技術(shù)

FTTx（光纖到……）也是一種實(shí)現(xiàn)寬帶居民接入網(wǎng)的方案。這里字母 x 可代表不同意思

• 光纖到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設(shè)到用戶家庭可能是居民接入網(wǎng)最后的解決方法
• 光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)：光纖進(jìn)入大樓后就轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶
• 光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：從路邊到各用戶可使用星形結(jié)構(gòu)雙絞線作為傳輸媒體

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第二章：物理层的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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