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物理层


物理层的服务和功能

物理层位于网络体系结构中的最低层,为数据链路层提供服务,数据链路层将帧交给物理层发送,在物理层看来,它收到的是一长串0,1比特,物理层的任务就是在传输介质传输0,1比特流。物理层的传输单位是比特,即一个二进制单位(0或1),当0,1比特串通过传输介质到达接收端,接收端的物理层收到后再交给上面的数据链路层。

四个特性

  1. 机械特性:物理层要定义接口的形状、尺寸、插头的针和插座孔的数量,以及针的排列方式等。
  2. 电气特性:用什么样的信号表示1,什么样的信号表示0,每个比特占用多少时间等。
  3. 功能特性:接口上会连接多根导线,物理层需要定义每根导线的功能,以及导线上出现某个特定信号的含义。
  4. 规程特性:物理层需要定义数据传输的操作过程,也就是再完成通信的过程中各线路上的动作规则或动作序列。

数据通信基础

信息、数据和信号

信息发送前要编码成数据,数据要用信号表示才能发送到对方。对方从信号中还原出数据,进而得到信息。

数据分为模拟数据和数字数据。数字数据是指离散(不连续)的量,指有限的几个值。模拟数据是指连续的量,包括某个范围内的所有可能的数据。

信号,与数据类似,信号也分为模拟信号和数字信号。模拟信号是连续的,取遍某个区间内的所有值。数字信号是离散的,只包含几个值。

一个信号可以分解成一系列正弦波的组合,这些正弦波都有着不同的频率,组成这个信号的所有正弦波的频率构成一个集合,称为信号频谱。

在信号频谱中最高频率和最低频率的差称为信号的带宽。

信道是信号从一端到达另一端所走的通道,信道是建立在传输介质之上的。一条传输介质上可以有多条信道,一条信道值允许传输一路信号。

信道可分为有线信道和无线信道

  • 有线信道:包括双绞线、同轴电缆和光纤
  • 无线信道:地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。

根据传输信号的不同,信道可以分为模拟信道和数字信道

  • 模拟信道用来传输模拟信号
  • 数字信道用来传输数字信号

每个信道都有其能够传输信号的频率范围,这个范围称为信道的带宽,信道的带宽越大,数据的传输速率就越高。信道的带宽是由信道的物理特性决定的。信道带宽是限定允许通过信道的信号的下限频率和上限频率,也就是限制一个频率带通。

波特率和比特率

波特率指的是每秒钟通过信道传输的信号码元的个数,又称调制速率,码元速率或信号传输速率,单位为波特(Baud)。

比特率指的是每秒传输比特数,又称数据信号速率,单位为比特/秒(bit/s或bps)、千比特/秒(Kbit/s或者Kbps,K=10^3)、兆比特/秒(Mbit/s或者Mbps,K=10^6)。比特率越高,表示单位时间传送的数据就越多。

数据通信系统

数据通信系统是以计算机为中心,利用通信线路连接远端的数据设备,从一个系统向另一个系统进行数据传输的系统。

DTE

DTE称为数据终端设备(Data Terminal Equipment,DTE)DTE是产生、接收和处理二进制数字数据的设备。DTE最典型的代表是计算机,还可以是打印机、传真机、终端等。

DCE

DCE称为数据电路终端设备(Data Circuit Terminal Equipment,DCE)DCE主要功能是进行信号转换。

数据表示和信号转换

数据要从一端发送到另一端,必须先被转换成信号,用信号来表示数据。数字数据可以用数字信号表示,也可以用模拟信号来表示;同样,模拟数据可以用模拟信号表示,也可以用数字信号表示。数字信号能够在数字信道上传递,当数字信号要在模拟信道上传递时,就需要将其转换为模拟信号。有时为了提高抗干扰能力,也需要将模拟信号转换成数字信号。模拟信号和数字信号只间可以相互转换,转换的目的是让信号能够更好的传输,能够传输更远的距离或提供好的抗干扰性能。但模拟信号和数字信号不论怎么转换,只是改变了信号的表现形式而言,并不会改变信号所代表的数据。

数字-数字

用数字信号表示数字数据称为数字-数字编码,常用的编码方式:非归零码NRZ,曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

数字-模拟

数字信号调制成模拟信号,所谓调制就是进行波形转换是进行频谱变换,将带基数字信号的频谱变成适合于在模拟信道中传输的频谱。将数字信号调制成模拟信号的三种基本方法是:幅移键控(Amplitude Shift Keying,ASK)、频移键控(Frequency Shift Keying,FSK)、相移键控(Phase Shift Keying,PSK)。

模拟-模拟

模拟数据用模拟信号来表示,称为模拟-模拟调制。用来表示模拟数据的模拟信号称为载波,无线电波就是利用模拟-模拟调制的例子,模拟-模拟调制又三种方法:调幅(Amplitude Modulation,AM)、调频(Frequency Modulation,FM)、调相(Phase Modulation,PM)。

  • 调幅

  • 调频

  • 调相

在调相中,载波的相位根据调制信号的振幅变化而变化,载波的振幅和频率不发生变化。调制的过程和结果与调频、调幅类似。

模拟-数字

模拟信号直接通过模拟信道传输,主要缺点是效率低和通信质量差。在现代通信中,采用的是通信质量高、处理效率高、保密性好的数字通信网络。

模拟信号转换为数字信号的技术称为脉码调制(Pulse Code Modulation,PCM),PCM由四个过程组成:采样、量化、进行编码、数字-数字编码。

PCM:采样

采样就是每隔一段相等的时间测量一次模拟信号的振幅。

PCM:量化

量化实际上把采样后的结果划分为若干个等级,每个等级用一个数字来表示。

PCM:二进制编码

二进制编码是将量化的结果用二进制数来表示,量化时划分的等级数目越多,需要的二进制位数也就越多。

例如:量化结果在-127~127之间,则需要的二进制比特数为8位,最高位的1位比特代表符合位,0代表正,1代表负,其余的7个比特代表数值的大小。

PCM:数字-数字编码

采用数字-数字的编码方式,将二进制编码得到0、1比特串转换位数字信号,通过通信链路发送出去。在接收端收到数字信号后,依次进行相反的逆过程,就可以得到原始的模拟信号。

数据传输

数据用信号表示完毕后,就可以开始传播了。根据传输信号的类型,数据传输可以分为基带传输和宽带传输;根据依次传输的比特数目,可以分为串行传输和并行传输;根据传输的方向和时间,可以分为单工、半双工、全双工传输。

  • 基带传输

在数据通信中,由于计算机或终端等数字设备直接发出的二进制数字信号形式称为方波,即0或者1,分别用高电平或者低电平表示。

方波电信号称为基带信号,在信道中直接传输基带信号称为基带传输。

  • 宽带传输

宽带是比音频带宽更宽的频带,它包括大部分电磁波频谱。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号,宽带是传输模拟信号,数字信号需要经过调制才能进行宽带传输。

传输模拟信号;将信道分为多个子信道,分别传送音频、视频和数字信号。

  • 并行传输

指在两点之间的适当数量的并行路径上,一组信号元的同时传输。并行传输通信效率高,一次可以传输多个比特,速度快但是并行传输费用较高,如果一次传输一个字节就需要八根导线,因此它只适合近距离传输。

传输数据时,可以使用多根导线,一次传输一组比特,这种方式称为并行传输。

  • 串行传输

指信号元在两点之间的单一路径上的顺序传输。

传输数据时,只使用一根导线,比特是一个接着一个发送。串行传输一次只传输一个比特,速度较慢,但只使用一条线路,因此价格低廉,支持距离传输。计算机网站多使用串行传输,串行传输由分为同步传输和异步传输两类。

异步传输

在异步传输中,对于一个字节内部的每个比特,接收方和发送方要保存同步;而字节和字节之间是异步的,接收到起始位后,接收方就开始重新同步。异步传输中每个字节都附加开始和停止位,字节和字节之间间隙不定,所以速度较慢,适合于低俗通信

同步传输

同步传输速度快,效率高,不仅要求建立帧同步,在一个帧内的每一个比特也都要求同步,要求比较高。同步传输常用在计算机之间的数据传输上。

  • 单工传输

信息只能由一方A传熬另一方B,则称为单工

  • 半双工传输

信息既可以由A到B,又能由B传A,但只能由一个方向上的传输存在,称为半双工传输。

  • 全双工传输

线路上存在A到B和B到A双向信号传输,则称为全双工。

复用技术

信号从一个设备传输到另一个设备,需要通过传输介质。如果任意两点间都使用单独的线路连接,那么对于几百个,上千个站点的连接,投入将是巨大的,因为需要Cn^2根线连接。而且也不利于维护,为此提出了多路复用技术。多路复用技术是在一个传输介质上传输多路通信的方法。多路复用技术可用在计算机网络上,特别是适用于广域网的信息交换。在计算机网络中,可以让不同的载波频率通过同一传输介质,同时进行多个通信。不同的载波频率在传送不同的信号时,它们在同一传输中不会互相干扰。

当物理链路的传输能力大于信号传输的需求时,这条链路上就可以传输多路信号,进行复用。复用时一个复合信号发送出去;在接收端,多路分解器将信号一一分解出来。

复用技术可以分为频分复用、时分复用、波分复用、码分复用。

频分复用

频分复用(Frequency Division Multiplexing,FDM)主要用来传输模拟信号。频分复用将传输信道的总带宽划分成若干个子频带(子信道),每个子信道传输1路信号。所有子信道传输的信号以并行的方式工作,每一路信号传输时可不考虑传输时延,因而频分复用技术取得了非常广泛的应用。在频分复用中,用户在分盘到一定的频带之后,在通信过程中始终都要占用这个频带,并且不同的用户所占的带宽资源可能是不同的。

时分复用

时分复用(Time Division Multiplexing,TDM)用于一条线路传输多路数字信号。时分复用将链路分成了许多个时间片,没路信号分配一个小时间片,各路数字信号轮流占用链路。时分复用又可以分为同步时分复用和异步时分复用。

  • 同步时分复用中,复用器给每个站点都预先分配一个或多个时间片,每个站点只有在自己的时间片才能发送数据。时间片的一个循环组成一帧,在一帧中包括所有站点发送的数据。在接收端,分解器要和复用器保持相同的速率,双方都要保证严格同步,才能正确地取出没一路中的信息。
  • 异步时分复用(也名统计时分复用)中,是对同步时分复用的改进提高了链路的利用率,但是附加的地址信息也带来了额外的处理开销。异步时分复用,时间片不进行预分配,每个时间片可以被任何一个有数据发送的站点适用,每个站点发送的数据在一帧中的位置是不固定的,因此在发送数据时要附加地址信息。

波分复用

波分复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)就是逛的频分复用

码分复用

码分复用(Code Division Multiplexing,CDM)是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式,现在人们更常用的名词是码分多址(Code Division Multiplexing Access,CDMA)

码片序列(chip sequence)

每个站被指派一个唯一的m bit码片(chip)序列

  • 如果发送比特1,则发送自己的m bit码片序列
  • 如果发送比特0,则发送该码片序列的二进制反码

例如,S站8 bit码片序列是00011011

  • 发送比特1时,就发送序列00011011,
  • 发送比特0时,就发送序列11100100.

S站的码片序列:(-1-1-1+1+1-1+1+1)

每个站点的码片序列都是经过仔细选择的,具有以下三个特点:

  1. 任意两个站点的码片序列正交,即规格化内积为0.
  2. 任何码片和自己的规格化内积为1.
  3. 任何码片和自己反码的规格化内积为-1.

系统中的站点必然处于三种状态之一:

  1. 发送比特1,发送码片序列
  2. 发送比特0,发送反码序列
  3. 不发送数据,不发送任序列

各个站点可以同时发送数据,码片序列会在空中叠加。

在接收站点,收到的是所有站点码片序列的叠加,接收站适用某个源站的码片序列于接收到的向量做内积,必有:

  1. 所有其他站的信号都被滤掉(内积为0)
  2. 运算结果为+1:源站发送1
  3. 运算结果为-1:源站发送0
  4. 运算结果为0:源站没有发送数据

根据结果的不同就可以指定某个源站所发送的数据了。

传输介质

传输介质是发送端和接受端之间信号传输的物理通道。常用的传输介质分为有线传输介质和无线传输介质。常见的有线传输介质有双绞线,同轴电缆,光纤。无线传输是指两个通信设备之间无需通过物理连接,而是通过空间传输,如微波,红外线和短波。

双绞线

双绞线是有两条相互绝缘的导线按照一定的密度相互缠绕在一起而制成的一种通用配线。

屏蔽双绞线(左)和非屏蔽双绞线(右)

双绞线类型 传输带宽 应用类型
3类 16MHZ 低俗网络;语音传输
4类 20MHZ 语音传输;10BASE-T以太网
5类 100MHZ 10BASE-T以太网;100BASE-T以太网
超5类 100MHZ 100BASE-T以太网;1000BASE-T吉比特以太网
6类 250MHZ 万兆以太网(10Gbit/s);ATM网络
7类 600MHZ 可用于今后的10吉比特以太网

同轴电缆

同轴电缆(Coaxtal CabLe)是指有两个同心导体,而导体和屏蔽层又公用同一轴心的电缆。

同轴电缆分为细缆(RG-58)和粗缆(RG-11)两种

  1. 细缆:直径为0.26厘米,最大传输距离为185米。线缆价格和连接头的价格都比较便宜,十分适合架构中小型以太网络。细缆的阻抗是50Ω。
  2. 粗缆:直径为1.27厘米,最大传输距离达到500米。粗缆比较适用于比较大型的局部网络,它的传输距离长,可靠性高,安装难度大,故总体成本高。粗缆的阻抗是75Ω。

光纤

广纤是一种传输光束的细而柔韧的媒质。光缆是由一捆光纤组成。广缆是数据传输中最有效的一种传输介质,广纤通常是由石英玻璃制成,其横截面积很小的双层同心圆柱体,也称纤芯,它质地脆,易断裂,由于这一点,需要外加保护层。

无线介质

在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信就是无线传输。无线电技术的原理在于,导体中电流强弱的改变会产生无线电波。利用这一现象,通过调制可将信息加载于无线电波之上。当电波通过空间传播到达收收信端,电波引起的电磁场变化又会在导体中产生电流。通过解调将信息从电流变化中提取出来,就达到了信息传递的目的。

类型 用途 优缺点
无线电波 无线广播、电视节目、移动电话 不需要直接的物理连接,但是信号会比较弱
卫星 在军用、民用、科研邓领域中发挥着巨大的作用 长距离通信,信号好。但是搭建成本高
微波 长途电话 通信信道大,但是不能穿过金属物质
红外线 导弹制导 连接方便,但是距离有限

物理层标准

物理接口协议实际上是DTE和DCE或其他通信设备信道之间的一组约定,主要解决网络结点于物理信道如何连接的问题。物理层协议规定了标志接口的机械连接特性、电气信号特性、信号功能特性以及交换电路的规程特性。

物理层标志举例——EIA-232

EIA-232是美国电子协会EIA制定的著名物理层异步通信接口标准,它最早是1962年制订的标准RS-232。RS表示EIA的一种“推荐标准”,232是编号。RS-232标准提供了一个利用公用电话网络作为传输介质,并通过调制解调器将远程设备连接起来的技术规定。

机械特性:EIA-232适用ISO 2110关于插头座的标准,就是使用23根引脚的DB-25插头座。引脚分为上线两排,分别有13根和12根引脚,其编号为1至13和14至15,都从左到右。

电气特性: EIA-232 与CCITT的V.28建议书一致,但要注意EIA-232采用负逻辑,逻辑0相当于对信号地线有+3V或更高的电压,而逻辑1相当于对信号地线有-3V或更负的电压。逻辑0相当于数据“0”(空号)或控制线的“接通”状态,而逻辑1则相当于数据“1”(传号)或控制线“断开”。

功能特性:与CCIT的V.24建议书–致。规定了什么电路应当连接到25根引脚的哪一根以及该引脚的作用。

规程特性:与CCITT的V.24建议书- -致。规定了DTE和DCE之间所发生的事件的合法序列。

总结


文章作者: HaiLin Zhou
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