2.1 物理层要实现的功能

物理层要实现的功能就是在各种传输媒体上传输比特0和1，进而给其上面的数据链路层提供透明传输比特流的服务。

透明传输比特：数据链路层“看不见”（也无需看见）物理层究竟使用的是什么方法来传输比特流。数据链路层**只管“享受”**物理层提供的比特流传输服务即可

物理层为数据链路层屏蔽掉了各种传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到这些差异。这样就可以使数据链路层只考虑如何实现本层的协议和服务。而无需知道网络具体使用的传输媒体和具体通信手段是什么。

2.2 物理层接口特性

为了实现物理层的功能，物理层定义了与传输媒体的接口有关的一些特性。按相同接口标准生产的不同厂家的网络设备接口可以相互连接和通信。这些接口特性分别是：

• 机械特性

  • 形状和尺寸
  • 引脚数目和排列
  • 固定和锁定装置
    

• 电气特性

  • 信号电压范围
  • 阻抗匹配情况
  • 传输速录
  • 距离限制

• 功能特性

  • 规定接口电缆的各条信号线的作用

• 过程特性

  • 规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系。

2.3 传输媒体

2.3.1 传输媒体的分类

• 传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒介。

• 传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。
  

• 传输媒体可分为：

  • 导向型传输媒体（固体媒体）
    • 同轴电缆
    • 双绞线
    • 光纤
  • 非导向型传输媒体（*空间）
    • 无线电波
    • 微波
    • 红外线
    • 大气激光
    • 可见光

2.3.1.1 导向型传输媒体

1. 同轴电缆
   

从同轴电缆的横切面可以看出，其各层都是共圆心的，也就是同轴心的。这就是同轴电缆的由来。由于屏蔽层的作用，同轴电缆具有良好的抗干扰性，被广泛应用于高速率的数据传输。

同轴电缆分为两类：

• 基带同轴电缆（50Ω）：用于数字传输，在早期局域网中广泛使用。（同轴电缆价格较贵且分布线不够灵活和方便。随着技术的发展和集线器的出现，在局域网领域基本行都采用双绞线作为传输媒体。）
• 宽带同轴电缆（75Ω）：用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线。

2. 双绞线
   

把两根相互绝缘的铜导线按一定密度互相绞合起来，就构成了双绞线。在实际使用中，往往将多对双绞线一起包在一个绝缘保护套中，成为双绞线电缆。为了进一步提高双绞线电缆抗干扰的能力，在双绞线电缆的绝缘保护套内，在多对相互绝缘的双绞线的外面，再包裹一层用金属丝编织成的屏蔽层。就构成了屏蔽双绞线电缆。屏蔽双绞线电缆的价格显然比无屏蔽双绞线电缆价格要贵一些。

双绞线绞合情况

蓝色线和蓝白相间的线相互绞合，橙色线和橙白相间的线相互绞合，绿色线和绿白相间的线相互绞合，棕色线和棕白相间的线相互绞合。

绞合的作用

• 减少相邻导线间的电磁干扰。
• 抵御部分来自外界的电磁干扰。

3. 光纤

   • 1966年，华裔科学家高锟发表了一篇题为《光频率介质纤维表面波导》的论文，开创性的提出将光导纤维应用于通信的基本原理。

   • 光纤通信利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信，由于可见光的频率非常高（约为10⁸MHz量级），因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

结构

用高透明度的石英玻璃拉成柔软细丝，由纤芯和包层两部分构成双层通信性圆柱形传输媒体

• 当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角大于入射角。

• 如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。

• 光在光纤中传输的方式是不断地全反射。

• 由于入射角大于产生光的全反射现象的临界角不止一个，因此可以有入射角大于临界角的多条不同入射角的光波在同一条光纤中传输，这种光纤称为多模光纤。
  

• 如果将光线直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，他可以使光波一直向前传播。这种光纤称为单模光纤。

单模和双模的区别

由于光的色散问题，光在多模光纤中传输时，会出现脉冲展宽，造成信号失真。光在单模光纤传输时，没有模式色散，在1.3μm波长附近，材料色散和波导色散大小相等且符号相反，两者正好抵消，不会出现脉冲展宽。

因此，多模光纤一般只适用于建筑物内的近距离传输，而单模光纤适合长距离传输，并且衰减更小。在100Gb/s的高速率下可以传输100km而不必采用中继器。但是单模光纤的制作成本以及对光源的要求比多模光纤要高。

单模光纤光源需要使用昂贵的半导体激光器，而不能使用较为便宜的发光二极管。

• 在光纤通信中，常用的三个光波波段的中心波长分别为：

  • 850nm（衰减较大，但其他特性较好）
  • 1300nm（衰减较小）
  • 1550nm（衰减较小）

• 三个波段都拥有25000~3000GHz的带宽，因此光纤的通信容量很大

• 常用的光纤规格有（纤芯直径/包层直径）：

  • 单模光纤 8/125μm、9/125μm、10/125μm
  • 多模光纤 50/125μm（欧洲标准）、62.5/125μm（美国标准）

优点

• 通信容量非常大
• 康雷电和电磁干扰性能好
• 传输损耗小，中继距离长
• 无串音干扰，保密性好
• 体积小，重量轻

缺点

• 割接光纤需要较贵的专用设备
• 目前光电接口比较昂贵

2.3.1.2 非导向型传输媒体

1. 无线电波

无线电波被广泛应用于通信领域。在低频和中频波段，无线电波主要以地面波的形式沿着地面传播。在高频和甚高频波段，地面波会被地表吸收。无线电波主要依靠电离层反射再回到地球表面

2. 微波通信

微波在空间主要是直线传播。由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此，他不像高频和甚高频波段的无线电波那样，可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。

传统的微波通信主要有两种方式：

• 地面微波接力模式
  

• 卫星通信

3. 红外线

   1. 点对点无线传输
   2. 直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
   3. 传输速率低（Mb/s~16Mb/s）

4. 激光

大气激光通信是利用大气作为传输媒体的激光通信

5. 可见光

可见光通信在全球已成为了研究的热点

2.4 传输方式

2.4.1 串行传输和并行传输

• 串行传输
  • 在发送端和接收端之间只有一条数据传输线路，构成数据的多个比特在这条数据传输线上逐比特依次传输
• 并行传输
  • 在发送端和接收端之间有多条数据传输线路，构成数据的多个比特被分别安排在不同数据传输线路上同时传输

一般计算机内部的数据传输使用并行传输方式，而远距离传输一般采用串行传输方式，计算机中的网卡同时拥有并行传输和串行传输方式。

2.4.2 同步传输和异步传输

1. 同步传输

同步传输以比特作为传输单位，数据块以比特流的形式传输，字节之间没有间隔，也没有起始位和终止位。接收端在每个比特信号的中间时刻进行采样。以判别接收到的是比特0还是比特1。这就要求收发双方对表示比特信号的时间长度达成一致，即所谓的同步。

在不采取其他措施的情况下，收发双方的时钟频率无法达到严格同步。在数据传输过程中，必然会产生接收方对信号采样时刻的误差积累。当传输大量数据时，误差积累就会越来越严重。最终会导致接收方对比特信号的误判。

在同步传输方式中实现收发双方的时钟同步的方法：

• 外同步：收发双发之间增加一条时钟信号线
• 内同步：发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送（例如曼彻斯特编码）

2. 异步传输

异步传输方式以字节为传输单位，但字节之间的时间间隔并不固定。接收端只在每个字节的起始处，对字节内的比特实现同步。为此一般要给每个字节添加起始位和结束位。

• 异步是指字节间的异步，即字节之间的时间间隔不固定
• 字节内的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间是相同的。

2.4.3 单向通信、双向交替通信和双向同时通信

1. 单向通信

指只能有一个方向的通信，也就是没有双向的交互，又称为单工通信。

2. 双向交替通信

指通信双方都可以发送信息和接收信息，但对于任何一方，发送信息和接收信息不能同时进行。又称为半双工通信。这

这种通信方式是一方发送，另一方接收。过一段时间再反过来。

3. 双向同时通信

指通信双方可以同时发送信息和接收信息，又称为全双工通信。

这种通信方式的任何一方都可以同时发送信息和接收信息。

2.5 编码与调制

2.5.1 编码与调制的基本概念

信息传输基本流程

1. 消息：在计算机网络中，需要由计算机处理和传输的文字、图片、音频和视频等内容可以统称为消息。
2. 数据：消息输入计算机后就成为了有意义的符号序列，即数据。可以将数据看作是运作消息的实体。
3. 信号：计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的信号发送到传输媒体。因此可将信号看作数据的电磁表现。
4. 数字基带信号：由信源发出的原始信号称为基带信号，也就是基带频带信号，例如由计算机输出的表示各种文字、图像、音频或视频文件的数字信号。基带信号往往包含较多的低频成分，甚至包含直流成分。
5. 调制：而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此需要对基带信号进行调制后才能上信道传输。调制分为基带调制和带通调制。
   • 基带调制：对数字基带信号的波形进行变换，使其能够与信道特性相适应。调制后的信号仍然是数字基带信号。由于基带调制是把数字信号转换成另一种形式的数字信号。因此基带调制也称为编码。
   • 带通调制：将数字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，使其能够在模拟信道中传输。

码元

编码的基本单位就是码元。在使用时间域的波形信号表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。

2.5.2 常用编码方式

1. 双极性不归零编码
   

Q：接收方如何判断前面七个正电平是七个码元而不是八个或者更多个呢？

A：这需要收发双方再添加一条时钟信号线。发送方通过数据信号线给接收方发送数据的同时，还通过时钟信号线给接收方发送时钟信号。

接收方按照接收到的时钟信号的节拍，对数据信号线上的信号进行采样。对于计算机网络，宁愿利用这段传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。

综上所述，双极性不归零编码的编码效率最高，但存在收发双方同步的问题。
2. 双极性归零编码

在每个码元的中间时期会回归到零电平。接收方只要在信号归零后采样即可。归零编码相当于将时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。

然而，归零编码中大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。

综上所述，该编码方式可以实现自同步，但编码效率低。
3. 曼彻斯特编码

曼彻斯特编码在每个码元中间时刻，电平都会发生跳变。电平的跳变即表示时钟信号，也表示数据，正跳表示0或1，负跳表示0或1，可以自定义。

综上所述，该编码信号属于自同步信号，10Mb/s的传统以太网采用的就是曼彻斯特编码。
4. 差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码在每个码元中间时刻，电平都会发生跳变。与曼彻斯特编码不同的是，电平的跳变仅表示时钟信号而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变：无跳变表示1，有跳变表示0。

曼彻斯特和差分曼彻斯特编码的区别

• 在传输大量连续1或者连续0的情况下，差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号的变化少。
• 在噪声干扰环境下，检测有无跳变比检测跳变方向更不容易出错，因此差分曼彻斯特编码信号比曼彻斯特编码信号更易于检测。
• 在传输介质接线错误导致高低电平翻转的情况下，差分曼彻斯特仍然有效。

2.5.3 基本的带通调制方法和混合调制方法

1. 带通调制方法

假设这是来自信源的原始基带信号，要想使用模拟信道来传输，需要将数字基带信号通过调制方法，调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号。

使用上述的基本调制方法，一个码元只能包含一个比特信息，想要使一个码元包含多个比特信息，就需要使用混合调制方法

2. 混合调制方法

因为载波的频率和相位是相关的，即频率是相位随时间变化的变化率，所以载波的频率和相位不能进行混合调制。

通常情况下，载波的相位和振幅可以结合起来一起调制，例如正交振幅调制QAM。

正交振幅调制QAM-16

• 12种相位。

• 每种相位有1或2种振幅可选。
  

  • 可以调制出16种码元，每种码元可以对应表示4个比特。

  下图是QAM-16可调制的16种码元，其中每个码元可以包含
  

  • 每个码元与4个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个相邻码元只有一个比特不同。

2.6 信道极限容量

2.6.1 造成信号失真的主要因素

造成失真的主要因素有：

• 码元传输速率：码元传输速率越高，信号经过传输后的失真越严重
• 信号传输距离：信号传输距离越远，信号经过传输后的失真越严重
• 噪声干扰：噪声干扰越大，信号经过传输后的失真越严重
• 传输媒体的质量：传输媒体质量越差，信号经过传输后的失真越严重

解释

• 信道上传输的数字信号，可以看作是多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波。
• 如果数字信号中的高频分量在传输时收到衰减甚至不能通过信道，则接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，每一个码元所占的时间界限也不再明确。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。
• 如果信道的频带越宽，则能够通过的信号的高频分量就越多，那么码元的传输速率就可以更高，而不会导致码间串扰
• 信道的频率带宽是有上限的，不可能无限大。因此，码元的传输速率也有上限。

2.6.2 奈式准则

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud

W：信道的频率带宽（单位为Hz）

Baud：波特，即码元/秒

• 使用奈式准则给出的公式，就可以根据信道的频率带宽，计算出信道的最高码元传输速率。
• 只要码元传输速率不超过根据奈式准则计算出的上限，就可以避免码间串扰。
• 奈式准则给出的是理想低通信的最高码元传输速率，他和实际信道有较大的差别。因此，一个实际的信道所能传输的最高码元传输速率，要明显低于奈式准则给出的上限值。
• 码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。
• 波特率与比特率有一定的关系：
  • 当1个码元只携带1比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上时相等的
  • 当1个码元携带n比特的信息量时，波特率（码元/秒）转换成比特率（比特/秒）时，数值要乘以n。

2.6.3 香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率

C：信道的极限信息传输速率（单位为b/s）

W：信道的频率带宽（单位为Hz）

S：信道内所传信号的平均功率

M：信道内的高斯噪声功率

S/N：信噪比，常用分贝（dB）表示

• 信道的频率带宽W或信道中的信噪比S/N越大，信道的极限信息传输速率C越高
• 实际信道不可能无限制地提高频率带宽W或信道中的信噪比S/N
• 实际信道中能够达到的信息传输速率，要比香农公式给出的极限传输速率低不少，这是因为在实际信道种，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰减等，这些因素在香农公式中并未考虑。

2.6.4 如何提高传输速率

通过奈式准则和香农公式可以知道，要想提高信息的传输速率，就必须采用多元制，并努力提高信道中的信噪比

2.7 信道复用

2.7.1 信道复用技术的基本原理

• 复用（Multiplexing）就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。
• 当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。
• 尽管实现信道复用会增加通信成本（需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道），但如果复用的信道数量较大，还是比较划算的。

2.7.2 常见的信道复用技术

1. 频分复用FDM
   

将传输媒体的频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个通信子信道，每对用户用其中的一个子信道进行通信。各子信道之间需要留出一个隔离频带，以免造成子信道间的干扰。

频分复用的用户同时占用不同的频带资源发送数据
2. 时分复用TDM

每一个时分复用的用户，在其相应时隙内独占传输媒体的资源进行通信。时分复用的各用户所对应的时隙就构成了时分复用帧，即TDM帧。每个时分复用的用户占用的时隙时周期性出现的，周期就是TDM帧的长度。

TDM帧实际上是一段固定长的时间，它与数据链路层对等实体间逻辑通信的“帧”，是完全不同的概念。

时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带。
3. 波分复用WDM
波分复用就是光的频分复用。

• 根据频分复用的设计思想，可在一根光线上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光线的频分复用技术。
• 目前可以在一根光线上复用80路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为密集波分复用DWDM
• 铺设光缆的工程耗资巨大，应尽管在一根光缆中放入尽可能多的光纤，然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。

4. 码分复用CDM
   • 码分复用（Code Division Multiplexing， CDM）常称为码分多址（Code Division Multiple Access， CDMA），它是在扩频通信技术的基础上发展起来的无线通信技术。
   • 与FDM与TDM不同，CDMA的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。
   • CDMA最初用于军事通信，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易于被敌人发现。
   • 随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛用于民用的移动通信中。
   • CDMA将每个比特时间划分为m各更短的时间片，称为码片。m的取值通常为64或128。
   • CDMA中的每一个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列。
     • 某个站要发送比特1，则发送自己的m比特码片序列
     • 某个站要发送比特0，则发送他自己的m比特码片序列的反码。
   • 如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一些列码片序列反码的叠加。为了从信道中分离出每个站的信号，给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则：
     • 分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列。
     • 分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化内积为0。