計算機網絡與通信之物理層中的數據傳輸

有了前兩篇文章的基礎,相信大家已經對物理層有了一定的概念了,那物理層的功能具體怎麼實現呢?

這篇文章裏,我將一一道來:

1. 物理層概述
2. 數據通信基礎知識
3. 數據編碼技術
4. 信道複用技術
5. 物理層下面的傳輸媒體

1. 物理層概述

物理層的主要任務

網絡物理層（Physical Layer，PH）主要任務爲：如何利用傳輸媒體，爲數據鏈路層提供傳送和接收二進制比特（bit）流的服務。

物理層的具體功能

物理層協議的具體功能爲：

1. 確定與傳輸媒體接口的特性：機械特性 電氣特性、功能特性、過程特性。
2. 比特的表示。
3. 傳輸速率：每個比特的傳輸時間。
4. 傳輸方式：單工、雙工還是半雙工。
5. 位同步：收發雙方的快慢一致。
6. 線路配置：點對點還是點對多點。

2. 數據通信基礎知識

數據通信系統基本模型

數據通信是指在不同計算機之間傳送表示字符、數字、語音、圖像的二進制代碼0、1比特序列的過程。 一個數據通信系統包括三大部分，涉及四種通信技術:

常用術語

• 信息（Infomation）人對現實世界的某種認識。

• 數據（Data）是信息的表達方式（載體）。其可以是文字、聲音和圖象等多種不同形式。本課中，數據理解爲在網絡中存儲、處理和傳輸的二進制數字編碼。

• 信號（Signals）數據傳輸過程中的電磁波表示形式（光、電信號、無線信號）。
  

• 模擬信號(analogous signal)是指信號及其振幅、頻率、相位等參數隨時間連續變化的信號；

• 數字信號是離散的一系列電脈衝，它的取值是有限的幾個離散數值，其強度在某個時間週期內維持一個常量級，然後改變到另一個常量級。
  

• 碼元 (code)：是在使用時間域（或簡稱爲時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。值得注意的是當碼元的離散狀態有大於2個時（如M大於2個）時，此時碼元爲M進制碼元。即一個碼元不一定對應於一個比特。

• 碼元傳輸速率：是模擬信號的速率，以波形每秒的振盪數來衡量（也稱爲調製速率、波形速率或波特率）。通常數據傳輸速率（比特率）大於波特率。
  

數據通信的基本概念

數據通信的理論基礎

信號在通信信道上傳輸時的數學表示可以根據傅立葉（Fourier）分析得出:任何電磁信號可以由若干具有不同振幅、頻率和相位的週期模擬信號組成。

時域觀和頻域觀

在網絡通信中，計算機信息（數據）是以電磁波（或稱信號）的形式傳輸的。

• 電磁信號是時間的函數（時域觀）
• 電磁信號也可以看成頻率的函數（頻域觀）

計算機等終端設備的原始數據信號因爲往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，因此，時域中的數字信號在頻域中也稱爲基帶信號（即基本頻帶信號）。

單工、半雙工、全雙工

從信息傳送方向和時間的關係角度研究數據通信方式可以分爲：

• 單工通信:只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。
• 半雙工通信:通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)。
• 全雙工通信:通信的雙方可以同時發送和接收信息。

並行通信和串行通信

根據一次傳輸數據時使用的信道數，可以將計算機和外部通信方式分爲：

• 並行通信
• 串行通信

而按照串行數據的時鐘控制方式，串行通信又可分爲同步通信和異步通信兩種方式。

數據通信中的同步方式

同步指的是通信中的接收雙方在時間基準上一致。可分爲：位同步、字符同步（異步通信）和報文（比特流）同步（同步通信）:

• 同步通信：信息是以報文爲單位傳送的；傳輸開始時，以同步字符使收發雙方同步；從傳輸信息中抽取同步信息，修正同步，保證正確採樣。

• 異步通信：信息是以字符爲單位傳送的；每個字符由發送方異步產生，有隨機性。

信道的極限容量

任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。

碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或傳輸媒體質量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。

信道容量（Channel Capacity）是指通信系統的最大傳輸速率（bps）。

把能通過該信道的頻率範圍定義爲信道帶寬，顯然，信道帶寬總是有限的。故信道的數據傳輸速率受信道帶寬的限制。

• 奈奎斯特准則：理想信道的二進制數據信號的最大數據傳輸速率 C與信道帶寬B（Hz）的關係爲：
  其中n一個脈衝所表示的有效狀態，應用最廣的是一個脈衝表示兩種狀態，即n=2；

• 香農定理：在有隨機熱噪聲的信道上傳輸數據信號時，數據傳輸速率C與信道帶寬B，信噪比S/N的關係爲
  

香農公式

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於信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。

若信道帶寬B 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實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。

實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。

對於頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，並且碼元傳輸速率也達到了上限值，那麼還有辦法提高信息的傳輸速率。

這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。

3. 數據編碼技術

計算機數字信號的兩種基本傳輸方式：

• 基帶傳輸：在數字信道上直接傳輸基帶信號的方法。
  不經轉換，效率高。局域網，電纜的帶寬足夠。
• 頻帶傳輸：在模擬信道上利用調製解調實現基帶信號傳輸的方法。
  解決了數字信號可利用電話系統傳輸的問題。
  實現多路複用，以提高傳輸信道的利用率。
  但需要調制解調器。

數據編碼技術研究計算機數據在信號傳輸過程中如何進行編碼(變換)。

用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量:

基帶傳輸編碼

在基帶傳輸中，需要對數字信號進行編碼以表示數據，即用不同的電平值代表數字信號0或1。常採用以下三種編碼方法：

1. 不歸零制編碼（NRZ）：簡單，易實現。但難於位同步，須同時傳送同步時鐘信號。
2. 曼徹斯特編碼：是一種自同步編碼方式。
3. 差分曼徹斯特編碼：是基本曼徹斯特編碼的變形。後兩種編碼應用普遍，已成爲局域網標準編碼。

頻帶傳輸編碼

基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。爲了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調製 (modulation)。 通過改變振幅、頻率和相位等載波特性或者這些特性的某種組合，來對數字數據進行編碼（調製）。

最基本的二元制調製方法有以下幾種：

• 調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。
• 調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。
• 調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。

4. 信道複用技術

多路複用技術（Multiplexing） 就是把多路信號在單一的傳輸線路和用單一的傳輸設備來進行傳輸的技術。常用的多路複用技術有三類：

• 頻分多路複用(FDM，Frequency Division Multiplexing)
• 波分多路複用(WDM，WavelengthDivision Multiplexing )
• 時分多路複用(TDM，Time Division Multiplexing)

頻分多路複用FDM

每路信道的信號以不同的載波頻率進行調製;

各個載波頻率是不重疊的, 一條通信線路就可以同時獨立地傳輸多路信號。

波分多路複用WDM

是頻分多路複用在光纖信道上使用的一個變種。

在一根光纖上覆用80路或更多路的光載波信號稱爲密集波分複用DWDM；

時分多路複用TDM

時分多路複用是將信道用於傳輸的時間劃分爲若干個時間片；每個用戶分得一個時間片

在每個用戶佔有的時間片內，用戶使用通信信道的全部帶寬。

5. 物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體也稱爲傳輸介質或傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路。

傳輸媒體可分爲兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體:

• 在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿着固體媒體（銅線或光纖）傳播。
• 非導引型傳輸媒體就是指自由空間。在非導引型傳輸媒體中，電磁波的傳輸常稱爲無線傳輸。

電信領域使用的電磁波的頻譜:

導引型（有線）傳輸媒體

雙絞線

雙絞線是最常用的傳輸媒體。

模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般爲幾到十幾公里。可以分爲:

• 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)
  帶金屬屏蔽層
• 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)

雙絞線的標準

1991年，美國電子工業協會 EIA 和電信行業協會聯合發佈了一個用於室內傳送數據的無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的標準 EIA/TIA-568。

1995年將佈線標準更新爲 EIA/TIA-568-A。

此標準規定了 5 個種類的 UTP 標準（從 1 類線到 5 類線）。

對傳送數據來說，現在最常用的 UTP 是5類線（Category 5 或 CAT5）。

同軸電纜

同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據。
同軸電纜的帶寬取決於電纜的質量。

• 50歐同軸電纜 —— LAN / 數字傳輸常用
• 75歐同軸電纜 —— 有線電視 / 模擬傳輸常用

光纜

光纖是光纖通信的傳輸媒體。
由於可見光的頻率非常高，約爲 10^8 MHz 的量級，因此一個光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的帶寬。

多模光纖與單模光纖

優點

常用的三個波段的中心分別位於 850 nm, 1300 nm 和 1550 nm。所有這三個波段都具有 25000~30000 GHz 的帶寬，可見光纖的通信容量非常大。

1. 通信容量非常大。
2. 傳輸損耗小，中繼距離長。
3. 抗雷電和電磁干擾性能好。
4. 無串音干擾，保密性好。
5. 體積小，重量輕。

非導引型（無線）傳輸媒體

將自由空間稱爲“非導引型傳輸媒體”。

無線傳輸所使用的頻段很廣。

短波通信（即高頻通信）主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差，傳輸速率低。

微波在空間主要是直線傳播。傳統微波通信有兩種方式：

• 地面微波接力通信
• 衛星通信

無線局域網使用的 ISM 頻段

要使用某一段無線電頻譜進行通信，通常必須得到本國政府有關無線電頻譜管理機構的許可證。但是，也有一些無線電頻段是可以自由使用的。例如：ISM。各國的 ISM 標準有可能略有差別。