物理层——一篇blog完全了解物理层

物理层

物理层概念

物理层是计算机网络OSI模型中最低的一层，物理层规定：为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的、电子的、功能的和规范的特性，简单说就是物理层确保原始数据可在各种物理媒体上传输。

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、固定装置等。
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。

数据通信基础知识

数据通信系统模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统，也就是我们常说的信源-信道-信宿。

源系统包括以下两部分：

源点：源点 设备产生要传输的数据，例如，从计算机的键盘输入汉字，计算机产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。
		现在很多计算机使用内置的调制解调器(包含调制器和解调器)，用户在计算机外面看不见调制解调器。

目的系统包括以下两部分：

接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信
		息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出
		在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
终点：终 点设备从接收器获取传送来的数字比	特流，然后把信息输
		出(例如，把汉字在计算机屏幕上显示出来)。终点又称为目的站，或信宿。

传递的信号分为以下两类：

模拟信号：又叫连续信号，代表消息的参数取值是连续的
数字信号：又叫离散信号，代表消息的参数取值是离散的

有关信道的几个概念

从通信双方信息交互方式来看，有以下三种方式：

单向通信：又称单工通信，即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有限电广播就是这种类型。
双向交替通信：又称为半双工通信，即通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发生。这种通信方式是一方发送另一方接受。
双向同时通信：又称全双工通信，即通信双方可以同时发送和接收信息。

从对基带调制方式来看，也分为两大类：

基带调制：仅仅是对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应
		 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，因此大家更愿意把这种过程称为编码
带通调制：另一类调制需要使用载波进行调制，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。经过载波调制后信号称为带通信号。

信道的极限容量

信道能通过的频率范围：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决成为不可能
信噪比：信号的平均功率与噪声的平均功率之比，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。

在1984年，香农提出香农公式，指出：
信道的极限信息传输速率C是 C= W log2(1+S/N) (bit/s)
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。在频带宽度已确定的信道，信道比，码元传输速率也达到了最大值，就只能用编码的方式让每个码元携带更多的比特信息。

物理层下的传输媒体

传输媒体又称传输介质，分为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传播
在非导引型传输媒体中，电磁波的传输被称为无线传输。
以下是电信领域使用的电磁波频谱：

导引型传输媒体

双绞线

双绞线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。绞合可以减少相邻导线的电磁干扰。我们现在楼道内部用的就是双绞线。

类前面的数字代表绞合程度。

为了提高双绞线抗电磁干扰能力，在双绞线外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，构成屏蔽双绞线。

同轴电缆

同轴电缆由内导体铜制芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所组成。现在主要用在有线电视网的居民小区中。

光缆

光纤通信是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，没有相当于0。


图中只画了一条线，其实可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这就是多模光纤。

光纤不仅具有通信容量大的优点，还有一些其他特点：

传输损耗小，中继距离长
抗雷电和电磁干扰性能好
无串音干扰，保密性好
体积小重量轻

非导引型传输媒体

短波通信

短波通信(即高频通信)主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象
和电离层反射所产生的多径效应，使得短波信道的通信质量较差。因此，当必须使用短波无
线电台传送数据时，一般都是低速传输，即速率为一个标准模拟话路传几十至几百比特/秒。
只有在采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到几千比特/秒。

微波通信

无线电微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300 MHz- -300 GHz
(波长1m~1mm)，但主要使用2~40GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播。由.
于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上
很远的地方。传统的微波通信主要有两种方式，即地面微波接力通信和卫星通信。

卫星通信

常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫
星作为中继器的一种微波接力通信。对地静止通信卫星就是在太空的无人值守的微波通信的
中继站。

信道复用技术

复用技术就是在发送端使用一个复用器，让大家合起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点。

频分 && 时分 && 统计分时

在使用频分复用时，若每一个用户占用的带宽不变，则当复用的用户数增加时，复用
后的信道的总带宽就跟着变宽。例如，传统的电话通信每一个标准话路的带宽是4 kHz (即
通信用的3.1 kHz 加上两边的保护频带)，那么若有1000 个用户进行频分复用，则复用后的总
带宽就是4 MHz。但在使用时分复用时，每-一个时分复用帧的长度是不变的，始终是125 us。
若有1000个用户进行时分复用，则每一个用户分配到的时隙宽度就是125 μs 的千分之一，
即0.125μs，时隙宽度变得非常窄。

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连
接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序
依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。
当一个帧的数据放满了，就发送出去。因此，STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态
地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。我们还可看出，在输出线路上，某
一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现。因此统计复用又称为异步时分复用，而普通的
时分复用称为同步时分复用。这里应注意的是，虽然统计时分复用的输出线路上的数据率小
于各输入线路数据率的总和，但从平均的角度来看，这二者是平衡的。假定所有的用户都不
间断地向集中器发送数据，那么集中器肯定无法应付，它内部设置的缓存都将溢出。所以集
中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。

波分复用

波分复用就是光的频分复用。

码分复用

码分复用CDM 是 另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA 。每-一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成于扰。

原理:每一个比特时间划分成m个短间隔码片，通常m为64或128。
每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。每个站分配的码
序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交,即规格化内机为0。
如发送比特1,则发送自己的m bit码片序列。
如发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码。

以下是个码分的例子：

参考文献

[1] 谢希仁．计算机网络（第七版）．电子工业出版社，2017.1．
[2] 严峻．计算机与网络基础课件．西安理工大学，2020.7．

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