[嵌入式]计算机网络学习（二）物理层

第二章　物理层

物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务。

用于物理层的协议也称为规程。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

机械特性，指明接口所用连线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的插件上都有严格的标准化规定；

电气特性，指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围；

功能特性，指明某条线上出现的某一电平的电压的意义；

过程特性，指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部的传输方式一般是并行传输，而在通信线路上的传输方式一般是串行传输。

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型：一个通信系统可分为三大部分，即源系统，传输系统和目的系统。

源系统一般包括两个部分，即源点和发送器。

目的系统也包括两个部分，即接收器和终点。

通信的目的是传送消息，数据是运送消息的实体。数据是用特定的方式表示的信息。信号则是数据的电气胡总电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式的不同，信号可以分为以下两大类：模拟信号（或连续信号）、数字信号（或离散信号）。

有关信道的几个基本概念（信道一般是用来表示向某一个方向传送消息的媒体。）

从通信的双方信息交互的方式来看，其可以有以下三种方式：

单向通信：又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信：又称为双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。

双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接受信息。

来自信源的信号常被称为基带信号（即基本频带信号）。基带信号往往包含有较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这类问题，就必须对基带信号进行调制。

调制可分为两大类，一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此更多地被被称为编码。另一种调制则需要依靠载波进行调制，把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，这样就能够更好地在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号。（即仅在一定频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

常用的编码方式有以下几种：

不归零制：正电平代表1，负电平代表0；

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0；

曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表0，也可以反过来定义；

差分曼彻斯特编码：在每一位中心处始终有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

基本的带通调制方法：

调幅（AM），即载波的振幅随基带信号数字信号而变化；

调频（FM），即载波的频率随着数字信号而变化；

调相（PM），即载波的初始相位随着基带数字信号而变化。

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制。

信道的极限容量

从概念上讲，限制码元在信道上传输速率的因素有两个：

信道能够通过的频率范围：

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信道中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是明确的，而是拖尾。这样，在接收端收到的信号波形就是去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。

奈氏准则：在带宽为W（Ｈｚ）的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是２W。传输缩率超此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决称为不可能。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比很重要。

所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S／Ｎ。

香农公式给出了信道的极限传输速率C。

奈氏准则激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使得每一个码元携带更多的比特的信息量。香农公式则告诫工程人员，在有噪声的实际信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破公式所给的信息传输速率的绝对极限。

物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为量大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或者光纤）传播，而非导引型传输媒体指的是自由空间，在非导引型传输媒体中有电磁波的传输称为无线传输。

导引型传输媒体

双绞线：也称为双扭线，是最古老又是最常用的传输媒体。是把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰，使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。

无屏蔽双绞线UTP的价格比较便宜。当数据的传输速率比较高时，可以采用屏蔽双绞线STP。

同轴电缆

同轴电缆是内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及绝缘保护套层所组成的。

光缆

非导引传输媒体

将自由空间称为非导引型传输媒体。

微波接力、卫星通信

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用就是各路信号在同样的时间占用不同的宽带资源；时分复用就是所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

在进行通信时，复用器总是和分用器成对使用的。

统计时分复用STDM是一种改进的时分复用。集中器常使用这种统计时分复用。

在输出线路上，每一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现的，因此，统计时分复用又称异步时分复用。而普通的时分复用称为同步时分复用。

波分复用

WDM，就是光的频分复用。

码分复用

CDM，各用户经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

数字传输系统

早期的数字传输系统主要存在两个缺点：一是速率标准不统一；二是不是同步传输。

宽带接入技术

ADSL技术，即非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有模拟电话的用户线进行改造。

基于ADSL的接入网由以下三大部分组成：数字用户线接入复用器DSLAM，用户线和用户家中的一些设施。

光纤同轴混合网（HTC网）

光纤同轴混合网是在目前覆盖面很广的有线电视网络的基础上开发的一种居民宽带接入网，除了可传送电视节目外，还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

FTTｘ技术

光纤到户。