計算機網絡基礎知識總結及思維導圖（二）物理層

二、物理層

2.1 基本概念

1）傳輸媒體的接口的特性

• 機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。
• 電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
• 功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。
• 過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

2）常用術語

• 消息（message）：如話音、文字、圖像、視頻等。

• 數據（data）：運送消息的實體。

• 信號（signal）：是數據的電氣或電磁的表現。

• 模擬信號：或稱爲連續信號，代表消息的參數的取值是連續的。

• 數字信號：或稱爲離散信號，代表消息的參數的取值是離散的。

• 碼元：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就稱爲碼元。

3）通信信息交互方式

• 單向通信：又稱爲單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬於這種類型。
• 雙向交替通信：又稱爲半雙工通信，即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）。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間後可以再反過來。
• 雙向同時通信：又稱爲全雙工通信，即通信的雙方可以同時發送和接收信息。

4）通信中兩種常見信號

• 基帶信號（baseband signal）：來自信源的信號。指沒有經過調製的數字信號或模擬信號。

• 帶通（頻帶）信號（bandpass signal）：把基帶信號經過載波調製後，把信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道），這裏調製過後的信號就是帶通信號。

5）常用編碼方式

• 不歸零制：正電平代表1，負電平代表0。
• 歸零制：正脈衝代表1，負脈衝代表0。
• 曼徹斯特編碼：位週期中心的向上跳變代表0，位週期中心的向下跳變代表1。但也可反過來定義。（傳統以太網採用的就是曼徹斯特編碼）
• 差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。

6）基本的帶通調製方法

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

7）奈氏準則和香農公式

• 奈氏準則：碼元傳輸速率受奈氏準則的限制。

• 香農公式：信息傳輸速率受香農公式的限制。

  信噪比：指信號的平均功率和噪聲的平均功率之比。

  信噪比公式：$信噪比(dB)={10log_{10}{(S/N)}}$，單位：dB。

  信道極限傳輸速率C：$C=Wlog_2{(1+S/N)}$，單位：bit/s。

擴展： 信噪比的兩種表示形式（等價）

• 數字形式：也就是一般的數值，比如信號功率爲100，噪聲功率爲1，則信噪比爲S/N=100/1=100，沒有單位。
• 分貝形式：同樣還是上面這些數字，則以分貝形式表示的信噪比爲10lg(S/N)=10lg(100)=20dB。

2.2 物理層下面的傳輸媒體

2.2.1 導引型傳輸媒體

1）雙絞線：把兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，然後用規則的方法絞合（twist）起來就構成了雙絞線。絞合可減少對相鄰導線的電磁干擾。

2）同軸電纜：同軸電纜由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護塑料外層所組成。

3）光纜（光纖）：光纖通常由非常透明的石英玻璃拉成細絲，主要由纖芯和包層構成雙層通信圓柱體。光纖通信就是利用光導纖維傳遞光脈衝來進行通信。

• 多模光纖：可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。
• 單模光纖：若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。
• 單模光纖和多模光纖的比較： 單模光纖數據傳輸速率更高，傳輸距離更遠，纖芯直徑更細，但成本較高。相比之下多模光纖數據傳輸速率較低，傳輸距離較近，纖芯直徑較粗，但成本較低。

2.2.2 非導引型傳輸媒體

1）無線傳輸：可使用的頻段很廣。

2）短波通信：即高頻通信，主要是靠電離層的反射。通信質量較差。

3）微波通信

• 地面微波接力通信
• 衛星通信：傳播時延較大。

4）紅外通信

5）激光通信

2.3 信道複用技術

1）頻分複用FDM（Frequency Division Multiplexing）：頻分複用的所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源（請注意，這裏的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。

2）時分複用TDM（Time Division Multiplexing）：時分複用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。

3）統計時分複用STDM（Statistic TDM）：是一種改進的時分複用，它能明顯地提高信道的利用率。

4）波分複用WDM（Wavelength Division Multiplexing）：就是光的頻分複用。

5）碼分複用CDM（Code Division Multiplexing）：每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會造成干擾。

• 站點發送1，則直接發送碼片序列。站點發送0，則發送碼片序列的二進制反碼。
• 兩個不同站的碼片序列正交，就是兩個向量的規格化內積（inner product）都是0。另外，和另一個站的碼片反碼的向量的規格化內積也是0。這裏規格化內積就是碼片序列對應位相乘再相加得出的和。
• 任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是1。一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是–1

2.4 寬帶接入技術

1）非對稱數字用戶線ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技術是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶數字業務，而不需要重新佈線。

2）光纖同軸混合網（HFC網，HFC是Hybrid Fiber Coax的縮寫）是在目前覆蓋面很廣的有線電視網的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。

3）FTTx技術，表示Fiber To The…。這裏字母x可代表不同的光纖接入地點。實際上，FTTx就是把光電轉換的地方，從用戶家中（這時x就是H）向外延伸到離用戶家門口有一定距離的地方。

思維導圖