[嵌入式]计算机网络之物理层

计算机网络——物理层

物理层基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种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

主要任务：描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性。

• 机械特性
  指明接口所用接线器的形状和尺寸、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接插件都有严格的标准化的规定。
• 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。比如一个引脚处高电平时有什么含义。
• 过程特性
  指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信

数据通信模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发这方)、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方)。

数据通信术语

数据：运送数据的实体，通常是有意义的符号序列。

信号：数据的电气或电磁的表现。

信号分为两大类，模拟信号和离散信号

信道：信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道

基带信号：来自信源的信号。将数字信号1和O直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。

带通信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

三种通信方式

• 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。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。

• 双向交替通信

  又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。

• 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收信息。

两种数据传输方式

• 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
• 并行传输：速度快，费用高，适合近距离

编码与调制

编码

• 非归零编码：高1低0。编码容易实现，但没有检错功能,且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
• 归零编码：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
• 反向不归零编码：信号电平翻转表示o，信号电平不变表示1。
• 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1。但也可反过来定义。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步）又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个点评，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

调制

码元、波特、速率和带宽

码元：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）

需要注意的是，一个码元可以携带多个比特信息量。

举个四进制码元的例子

我们可以用00、01、10、11来表示这四进制，而想要把这4个数表示出来，就需要用四种不同高度的信号波形来表示，每个高度的波都能表示这四个数的其中一个，所以在四进制码元中，1个码元=2个比特

速率：速率也叫数据率 ，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

• 码元速率：1秒内传输多少个码元，单位是波特
• 信息传输速率：1秒传输多少b比特

带宽：在单位时间内网络带宽表示在单位时间内网络中的某信道所能通过的“最高数据率”。

关系：若一个码元携带nbit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M * nbit/s

奈氏准则和香农定理

码间串扰：接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。

奈氏准则：在假定理想的条件下，为了避免码间串扰，奈斯准则给出了码元传输速率的上限值。在带宽为W(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声的影响，则码元的最高传输速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，是接收端对码元的判决成为不可能。

理想低通信道下的极限数据传输率为
$$C=2W{\log }_{2}V(bit/s)$$
这里的V指的是几种码元/码元的离散电平数目

需要注意的是奈氏准则限制的是码元传输速率，而不是数据的传输速率。

1. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输
2. 要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多的比特信息量

信噪比：信噪比=信号的平均功率/噪声平均功率，记为$$S/N$$，但是大家通常都是用分贝作为度量单位的。即
$$信噪比(dB)=10\lg (S/N)(dB)$$
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
$$C=Wlo{g}_2(1+S/N)(bit/s)$$

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5. 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比s/N没有上限（不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

香农定理表征的是一个信道的性能，也就是在信噪比为S/N的信道上，无论采用何种编码方式，能达到的极限传输速率；而奈氏准则准则则是表征一种编码方式的性能，即在理想的带限信道下，这种编码方式的数据传输率；因此在极限数据传输率为28kbit/s的信道上使用极限数据传输率为8kbit/s的编码方式传输数据时，相当于没有将信道的能力用满，因此取8kbit/s

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。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。传输媒体不是物理层。

导引型传输媒体

• 双绞线：无屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)
• 同轴电缆
• 光缆：多模光纤（近距离传输）和单模光纤（远距离传输）

非导引型传输媒体

• 无线电波
• 微波
• 红外线、激光

信道复用技术

最基本的复用就是频分复用FDM (Frequency Division Multiplexing)和时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

频分复用

频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源

时分复用

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧)。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。

但是当使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复用(Statistic TDM)

是一种改进的时分复用，他能明显的提高信道的利用率。

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)

就是光的频分复用

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)

即码分多址(Code Division Multiple Access)

各种用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此个用户之间不会造成干扰。有很强的抗干扰性，不易被敌人发现。

这里一道题目可以很好的理解一下，码分复用的应用：

给出类似的解题方法码分多址CDMA及计算

数字传输系统

主要的缺点

• 速率标准不同统一
• 不是同步传输

为解决上述问题，美国推出了数字传输标准，叫做同步光纤网SONET(Synchronous Optical Network)

宽带接入技术

ADSL技术(不完全)

非对称数字用户线ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。ADSL下行带宽远远大于上行带宽——非对称。ADSL 的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）

我国目前采用的方案是离散多音调DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。DMT 调制技术采用频分复用的方法。

由于用户线的具体条件往往相差很大（距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同)。ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。当ADSL启动时，用户线两端的 ADSL调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。可见ADSL不能保证固定数据率。

光纤同轴混合网(HFC网)

为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)。

FTTx技术

制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。可见ADSL不能保证固定数据率。

光纤同轴混合网(HFC网)

为了提高传输的可靠性和电视信号的质量，HFC网把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)。

FTTx技术(不完全)

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