计算机网络-谢希仁-第7版-02章

第2章物理层，教材： 计算机网络（第七版）谢希仁着，第2章物理层，2.1物理层的基本概念2.2数据通信的基础知识2.3物理层下的传输媒体2.4信道复用技术2.5数字传输系统2.6宽带接入技术，2.1物理层的基本概念，物理层如何连接到各种各样的计算机上物理层的作用是尽可能屏蔽不同的传输介质和通信单元的差异。 在物理层使用的协议也常常被称为物理层协议。 物理层的主要任务，机械特性：指定接口使用的连接器的形状和尺寸，导线的数量和排列，固定和锁定装置等。 电气特性：表示接口电缆各线出现的电压范围。 功能特性：表示某条线上出现的某个电平的电压表示什么意思。 流程属性：显示各种功能事件发生的顺序。 主要任务：确定与媒体的接口特性。2.2数据通信的基础知识、2.2.1数据通信系统的模型关于2.2.2信道的一些基本概念2.2.3信道的极限容量、2.2.1数据通信系统的模型、一个数据通信系统包括三大部分：源系统(或、调制解调器、PC、公共电话网、调制解调器、数字比特流、模拟信号、模拟信号、汉字输入、汉字显示、PC、数据通信系统的模型、常用术语、数据(data)携带消息的实体。 信号数据的电或电磁表示。 模拟信号是连续的取得表示消息的参数的方法。 数字信号是指示消息的参数的值是离散的。 符号(code)表示在以时域(或者简称为时域)的波形表示数字信号的情况下，不同离散值的基本波形。 此外，2.2.2信道的一些基本概念，信道通常表示在一个方向上传递信息的介质。 单向通信(单工通信) 只能进行单向通信，并没有反向相互作用。 双向交互通信(半双工通信) 通信两者都可以发送消息，但双方不能同时发送(当然不能同时接收)。 双向同时通信(全双工通信) 通信双方可以同时发送和接收信息。 另外，2.2.2信道的若干基本概念是来自基带信号(即，基带信号) 源的信号。 从计算机输出的代表各种字符或图像文件的数据信号属于基带信号。 基带信号通常包含更多的低频分量以及直流分量，其中许多信道不能传送低频率分量或直流分量。 因此，基带信号必须被调制。 另外，关于2.2.2信道的一些基本概念，调制分为两种：基带调制：仅变换基带信号的波形，并且匹配信道特性。 变换的信号还是基带信号。 这个过程被称为编码。 带通调制：通过使用载波进行调制，将基带信号的频率范围移动到高频带，转换为模拟信号，能够通过模拟信道更好地发送(即，可以仅在某个频率范围通过信道)。 频带通信信号：载波调制的信号。 (1)常用编码方式、数字信号常用编码方式、(1)常用编码方式、不复位方式：正电平为1，负电平为0。 归零制：正脉冲表示1，负脉冲表示0。 曼彻斯特码：位周期中心的上跳表示0，位周期中心的下跳表示1。 也可以相反地定义。 差分曼彻斯特码：每个比特的中心总是有跳跃。 比特开始边界上的跳跃表示0，比特开始边界上的跳跃不表示1。 (1)常用编码方式从信号波形可知，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不复位零的方式高。从自同步能力来看，没有归零就无法从信号波形自身提取信号时钟频率(称为没有自同步能力)，与此相对，曼彻斯特码和差动曼彻斯特码具有自同步能力。 (2)虽然在基本带通调制方法中，基带信号包括很多低频分量以及直流分量，但是很多信道不能传输该低频分量和直流分量。 为了解决这个问题，基带信号必须被调制。 最基本的二值调制方法是幅度调制(AM )。 载波的幅度随着基带数字信号而变化。 频率调制(FM ) :载波的频率取决于基带数字信号。 相位调制(PM ) :载波的初始相位随着基带数字信号而变化。 (2)基本带通调制方法、最基本的三种调制方式、2.2.3信道的边界容量，任何实际信道都不是理想的，并且在传输信号时引起各种失真和各种干扰。 符号传输的速率越高或者信号传输的距离越远，或者传输介质的质量越差，信道的输出端处的波形失真越大。 此外，数字信号经过实际信道的2.2.3信道的极限容量、概念上限制符号在信道上的传输速率的因素是：信道可通过的频率范围的信噪比、信道可通过的频率范围、具体信道可通过的频率范围总是有限的信号中很多高频成分往往不能通过信道。 1924年，奈奎斯特导出了着名奈氏的标准。 他给出符号的传输率的上限以便在假定的理想条件下避免符号间串扰。 可以通过各信道的频率范围在任何信道中的符号传输的速率上都有上限，否则，码间串扰将出现问题，并且不能在接收侧上判断(即，识别)符号。 信道的频带越宽，即，能够通过的信号的高频分量越大，可以以更高的速率传输符号，而不会引起码间串扰。 (2)信噪比、噪声存在于所有电子设备和通信信道中。 噪音是随机产生的，瞬时值可能会变大。 因此，噪声导致接收侧的码元的判定错误。 噪音的影响是相对的。 信号相对强时，噪声的影响相对小。 信噪比是信号的平均功率与噪声的平均功率之比。 总是表示为S/N，以分贝(dB )为测量单位。 即，s/n比(dB)=10log10(S/N)(dB )例如在S/N=10的情况下，s/n比是10dB，在S/N=1000的情况下，s/n比是30dB。 (2)信噪比，1984年，香农采用信息论，带宽受限制，导出了有高斯白噪声的信道极限、无错误的信息传输速度(香农公式)。 信道的极限信息传输速度c可以表达为c=wlog2(1s/n ) (比特/s )。 这里，w是各信道的带宽(以Hz为单位)，s是要在各信道上发送的信号的平均功率，n是各信道中的高斯噪声功率。 根据香农公式，信道带宽和信道中的信噪比越大，信息的极限传输速度越高。 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，可以找到实现无错误传输的方法。 如果信道带宽w和S/N没有上限(当然，实际信道不是如此)，则信道的极限信息传输速率c也没有上限。 实际频道能达到的信息传输速度显着低于香农的极限传输速度。 注意，在有带宽的信道上，信噪比无法改善，如果符号的传输率也达到了上限值，则可以提高信息的传输率。 此为在编码方法中每符号具有更多的比特信息量。 另外，2.3物理层下面的传输介质、2.3.1诱导型传输介质2.3.2非诱导型传输介质、2.3物理层下面的传输介质，也称为传输介质或传输介质，它是数据传输系统中发送机和接收机之间的物理通信。 传输介质可以分为引导型传输介质和非引导型传输介质两种。在引导型传输介质中，被引导电磁波在固体介质(铜线或光纤)上传播。 非引导型传输介质是指自由空间。 在非引导型传输介质中，电磁波的传输通常被称为无线传输。 2.3物理层之下的传输媒体：、LF， AK C、AC、AC、AC、AK、AK、AK、AK、AK、AK、AK、AAK 1041051060710808091010110110110110110110110110110110110110110110110535252525252525252525252525252525252525252525252525252525252525252525252525252525252 525252525252525252525252525252525252525252525252525252525252 屏蔽双绞线STP(ShieldedTwistedPair )带金属屏蔽层的屏蔽双绞线UTP(UnshieldedTwistedPair )、2.3.1引线型传输介质、双绞线的图像、双绞线标准、1991 美国电子工业协会EIA和电信行业协会共同发布了用于在室内传输数据的屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准EIA/TIA-568。 1995年将配线规格更新为EIA/TIA-568-A。 该标准规定了5种UTP标准(从1种线到5种线)。 为了传输数据，现在最常用的UTP是类别Category5或CAT5)。 双绞线标准、常用双绞线的种类、带宽和典型应用、2.3.1引线型传输介质、同轴电缆具有良好的抗干扰特性，广泛用于比较高速的数据传输。 同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。 50同轴电缆LAN/数字传输常用75同轴电缆有线电视/模拟传输常用，同轴电缆的结构，2.3.1引线型传输介质，光缆是光纤通信的传输介质。 由于可见光的频率非常高，约108MHz，因此单个光纤通信系统的传输带宽远远大于现在各种其他传输介质的带宽。光纤中的光的折射、光纤中的光的折射、从高折射率的介质入射到低折射率的介质时，折射角比入射角大。 因此，入射角充分大时发生全反射，光也沿光纤传播。 光纤的工作原理、光向芯的传播，如果从芯入射到芯表面的光线的入射角超过某个临界角度，就会引起全反射。 多模光纤和单模光纤、多模光纤可以以不同角度入射的光在一根光纤中传输。 这种光纤被称为多模光纤。 在单模光纤中，当光纤的直径减小到单个光的波长时，光纤可以像单个波导一样向前传播而不反复反射光。 这种光纤被称为单模光纤。 多模光纤与单模光纤、多模光纤、多模光纤(a )与单模光纤(b )的比较、光纤的优点、通信容量非常大。 (2)传输损耗小，中继距离长。 (2)抗雷电和电磁干扰。 (3)无串扰干扰，机密性高。 (4)体积小，重量轻。 2.3.2非导向型传输介质，自由空间称为“非导向型传输介质”。 无线传输的频带很宽。 短波通信(即高频通信)主要在电离层反射，短波信道通信质量差，传输速度低。 微波主要在空间中直线传播。 传统的微波通信有两种方式：地面微波中继通信卫星通信、无线LAN使用的ISM频带、使用一个无线频谱进行通信，通常必须取得本国政府的无线频谱管理机构的许可。 但是，有些无线频带可以自由使用。 例如PS。 各国的PS标准可能略有不同。 另外，无线LAN所使用的ISM频带、2.4信道复用技术、2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用2.4.2频分复用、2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用、复用是通信技术的基本概念。 这样，用户就可以使用共享通道进行通信，降低成本，提高利用率。另外，复用图像、频分复用FDM (frequencydividerationmultipleing，频分复用)将整个带宽分割成多个，在用户分配给一定频带之后，在通信中一直占用该频带。 频分复用的所有用户同时占用不同的带宽资源(这里，“带宽”是带宽，而不是数据的传输速率)。 另外，频分复用、时分复用TDM(TimeDivisionMultiplexing，时分复用)，时分复用将时间分割成一定长度的时分复用帧(TDM帧)。 各时分复用用户在TDM帧中占据固定序列号的时隙。 各用户占用的时隙周期性地发生(其周期为TDM帧的长度)。 TDM信号也被称为同步信号。 时分复用的所有用户在不同时间占用相同的带宽。 时分复用TDM、频率、时间、b、c、d、b、c、d、d、c、d、d、d、d、c、d、周期性地出现，时分复用、时分复用可能浪费线路资源，并且使用时分复用系统传输计算机数据如果某个用户暂时没有发送数据，则在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态。 另外，统计时分复用STDM (静态TDM )和STDM帧不是固定地分配时隙，而是根据需要动态地分配时隙。 因此，统计时分复用能提高线路的利用率。 另外，2.4.2波分复用WDM (wavelengthhdivisionmultiiplexing，波分复用)，波分复用是光的频分复用。 使用单根光纤来同时传输多个光载波信号。 另外，在2.4.3码分复用CDM (码分多址)中，经常使用的名词是码分多址CDMA (码分多址)。 因为每个用户使用特别选择的不同码类型，所以不会彼此干扰。 该系统所发送的信号具有较强的抗噪声能力，其频谱类似于白噪声，难以被敌人发现。 另一方面，每码片序列、位时间划分为m个短间隔，称为码片。 每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。 发送位1时，发送自己的mbit码片序列。 发送位0时，发送该码片序列的二进制反转。 例如，s站的8位码片序列是00011011。 在发送位1时发送序列00011011，在发送位0时发送序列11100100。 s站码片序列(-1-1-1-1-1 )码片序列实现扩展，并且假设s站发送的数据速率为bbit/s。 因为数据位被转换为m位的码片，所以s站实际传输的数据速率提高到MB位/s，同时s站占有的带宽也提高到原来值的m倍。 这种通信方式是扩频通信之一。 扩频通信通常分为两类。 一种是直接序列频谱DSSS (directsequenceespr