【電腦網路】學習筆記，第二篇：物理層（謝希仁版）

• 2020 年 10 月 28 日
• 筆記

說明：

• 文章主要針對科班上課做的簡單筆記，以及後面針對一些面試涉及內容的詳細講解
• 再三聲明：考研的同學好好去背書，做題，重點研究一下側重點，加油 ！！！
• 此文章歸納整理自：【電腦網路】（第七版）謝希仁 ，一切內容版權均歸書籍作者所有，侵刪

一 物理層的基本概念

物理層考慮的是怎樣才能在連接各種電腦的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體

現有的電腦網路中的硬體設備和傳輸媒體的種類非常繁多，而通訊手段有許多不同方式，物理層的作用正是要儘可能的屏蔽掉這些傳輸媒體和通訊手段的差異，使物理層上面的數據鏈路層感覺不到這些差異，這樣就可使數據鏈路層只需要考慮如何完成本層的協議和服務，而不必考慮網路具體的傳輸媒體和通訊手段是什麼。

可以將物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體到介面有關的一些特性：

• (1) 機械特性：介面所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等

• (2) 電氣特性：介面電路的各條線上出現的電壓範圍

• (3) 功能特性：某條線上出現某一電平電壓的意義

• (4) 過程特性：對於不同功能的各種可能事件的出現順序

二 數據通訊的基礎知識

(一) 數據圖通訊系統的模型

下例為兩台電腦通過普通電話機進行連線，然後在通過公用電話網進行通訊的例子

首先可以看到一個數據通訊系統可以劃分為三大部分：① 源系統、② 傳輸系統、③ 目的系統

(1) 源系統包括

• 源點：源點設備產生要傳輸的數據
• 發送器：源點生成的數字比特流要通過發送器編碼後才能在傳輸系統中傳輸，例如調製器

(2) 目的系統包括

• 接收器：結束傳輸系統發送來的訊號，並轉換成能被目的設備處理的資訊，如解調器

• 終點：終點設備從接收器獲取傳送來的數字比特流，然後把資訊輸出

(3) 專業術語補充

• 消息：通訊的目的是傳送消息，如語音、文字、影像、影片等
• 數據：是運送消息的實體，即使用特定方式表示的資訊，通常是有意義的符號序列
• 訊號：數據電氣或電磁的表現
  • 模擬訊號（連續訊號）：代表消息的參數取值是連續的
  • 數字訊號（離散訊號）：代表消息的參數的取值是離散的
  • 碼元：代表不同離散數值的基本波形（二進位編碼的碼元就是0和1兩種狀態）

(二) 有關信道的幾個基本概念

信道定義：表示向某一個方向傳送資訊的媒體，所以，一條信道電路一般包含一條發送信道和一條接收信道

(1) 資訊交互的方式

• 單向通訊（單工通訊）：只能有一個方向的通訊而沒有反方向的交互，只需要一條信道，例如有線/無線廣播、電視廣播
• 雙向交替通訊（半雙工通訊）：通訊的雙方都可以發送資訊，但不能雙方同時發送，而是一方發送另一方接收，一段時間後可以反過來，兩條信道
• 雙向同時通訊（全雙工通訊）：通訊雙方可以同時發送和接收資訊，兩條信道，且傳輸效率最高

(2) 調製

來自源的訊號常稱為基頻訊號（基本頻帶訊號），例如電腦中輸出的代表各種文字或者影像文件的數據訊號屬於基頻訊號，基頻訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或者直流分量，這也就是我們必須對基頻訊號進行調製的原因

• 基頻調製（編碼）：僅對基頻訊號的波形進行變換，使其能與信道特性相適應，變換後的訊號仍是基頻訊號
• 帶通調製：使用載波進行調製，把基頻訊號的頻率範圍移到較高頻段，並轉換為模擬訊號，變換後的訊號稱為帶通訊號

(3) 常用編碼方式

• 不歸零制：正電平代表1，負電平代表0
• 歸零制：正脈衝代表1，負脈衝代表0
• 曼切斯特編碼：位周期中心的向上跳變代表0，位周期中心的向下跳變代表1，也可反過來定義
  • 圖中小黃點即周期中心
• 差分曼切斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，位開始邊界沒有跳變代表1
  • 圖中黃色圈即開始邊界，如果線條不是一條直線那麼就是跳動了，如果線條是直線就是沒有跳動

曼徹斯特編碼產生的訊號頻率比不歸零制高，從自同步能力來看，不歸零制不能從訊號波形本身中提取訊號時鐘頻率（沒有自同步能力）而曼徹斯特編碼具有自同步能力

(4) 基本的帶通調製方法

• 調幅（AM）：載波的振幅隨基頻數字訊號而變化，如0或1分別對應無載波或有載波輸出
• 調頻（FM）：載波的頻率隨基頻數字訊號而變化，如0或1分別對應頻率f1或f2
• 調相（PM）：載波的初始相位隨基頻數字訊號而變化，如0或1分別對應於相位0度或180度

(三) 信道的極限容量

通訊領域的學著一直都在努力尋找提高傳輸速率的途徑。但是這個問題很複雜，因為任何實際的信道都不是理想的，都不可能一以任何高的速率進行傳送

(1) 信道能夠通過的頻率範圍

• 碼間串擾：訊號中高頻分類受到衰減，在接收端收到的波形前沿和後沿不那麼陡峭，每個碼元所佔時間界限不明確，失去了碼元間的清晰界限的現象
• 奈氏準則：在任何信道，碼元傳輸的速率是有上限的，超過上限就會出現嚴重的碼間串擾，使接收端對碼元無法識別（對碼元的判決成為不可能）

(2) 信噪比

噪音是存在所有電子設備和通訊通道中，因為雜訊是隨機產生的，所以它的瞬時值有時候會很大，因此雜訊會使接收端對碼元的判決產生錯誤（1 誤判為 0，0 誤判為 1），但是雜訊的影響是相對的，訊號越強，那麼雜訊的影響就相對較小，因此信噪比十分重要

定義：訊號的平均功率和雜訊的平均功率之比，記作S/N，且常用分貝（dB）作為度量單位

公式：信噪比(dB) = 10 log10(S/N)(dB)

例子：當 S/N = 10 時，信噪比為 10 dB，而當 S/N = 1000時，信噪比為 30 dB

(3) 香農公式

信道的極限數據傳輸速率 = Wlog₂(1+S/N)

• W：信道頻寬（Hx）
• S/N：信噪比【無單位】
• 如果信噪比單位為dB 需要使用 信噪比 = 10log₁₀(S/N)求出S/N

香農公式的結論和意義：

• 信道的頻寬或信道中的信噪比越大，資訊的極限傳輸速率就越高、
• 只要資訊傳輸速率低於信道的極限速率，就一定存在某種方法來實現無差錯的傳輸

若信噪比不能再提高了，且碼元傳輸速率也達到了了上限值，還可以使用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的資訊量

三 物理層下的傳輸媒體

傳輸媒體：是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路

(一) 傳輸媒體的分類

引導型：電磁波被引導沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播

• 雙絞線、同軸電纜、光纖

非引導型：指自由空間，電磁波的傳輸常被稱為無線傳輸

(1) 引導型

A：雙絞線

常見的網線，電話線，模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，通訊距離一般為幾到十幾公里

B：同軸電纜

同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據

同軸電纜的頻寬取決於電纜的品質

C：光纜

光纖是光纖通訊的傳輸媒體

由於可見光的頻率非常高，約為 108 MHz 的量級，因此一個光纖通訊系統的傳輸頻寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的頻寬

只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大於某個臨界角度，就可產生全反射

光纖的優點：

• (1) 通訊容量非常大
• (2) 傳輸損耗小，中繼距離長
• (2) 抗雷電和電磁干擾性能好
• (3) 無串音干擾，保密性好
• (4) 體積小，重量輕

(二) 非引導型傳輸媒體

• 短波通訊（即高頻通訊）主要是靠電離層的反射，但短波信道的通訊品質較差，傳輸速率低
• 微波在空間主要是直線傳播

傳統微波通訊有兩種方式：

• 地面微波接力通訊
• 衛星通訊

無線區域網使用的 ISM 頻段

要使用某一段無線電頻譜進行通訊，通常必須得到本國政府有關無線電頻譜管理機構的許可證。但是，也有一些無線電頻段是可以自由使用的。例如：ISM。各國的 ISM 標準有可能略有差別。

四 信道復用技術

(一) 頻分復用、時分復用、統計時分復用

復用：允許用戶使用一個共享的信道進行通訊，降低成本，提高利用率

(1) 頻分復用

原理：用戶在分配到一定頻帶後，在通訊過程中自始至終都佔用這個頻帶

特點：所有用戶在同樣的時間佔用不同的頻率頻寬

• 注意，這裡的「頻寬」是頻率頻寬而不是數據的發送速率

(2) 時分復用

原理：將時間劃分為一段段等長的時分復用幀(TDM幀)，每個時分復用的用戶在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙

特點：所有用戶在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度

時分復用可能會造成線路資源的浪費

• 使用時分復用系統傳送電腦數據時，由於電腦數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的

(3) 統計時分復用

原理：使用STDM幀來傳送復用的數據，每一個STDM幀中的時隙數小於連接在集中器上的用戶數，各用戶有數據就發往集中器的輸入快取，集中器按順序依次掃描輸入快取，把快取中的輸入數據放入STDM幀中，沒有數據的快取就跳過，當一個幀放滿即發送，因此STDM幀不是固定分配時隙，而是按需動態分配時隙

某用戶佔用的時隙不是周期性出現的，因此統計時分復用又稱為非同步時分復用，而時分復用又稱為同步時分復用

(二) 波分復用

(1) 波分復用：

原理：就是光的頻分復用，使用同一根光纖同時傳輸多個光載波訊號

(2) 碼分復用（碼分多址）

原理：各個用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會互相干擾

碼片：每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片

工作方式：

• 每個站被指派一個唯一的mbit碼片

  • 若發送1，則發送自己的m bit碼片

  • 若發送0，則發送該碼片的二進位反碼

碼片實現擴頻：由於一個比特可轉換成m個比特的碼片，因此實際發送數據率提高了m倍

重要特點：每個站的碼片必須各不相同，並相互正交

碼片正交關係：不同碼片正交，就是向量S和T的規格化內積為0，（規格化內積即對應為相乘）

正交關係的重要特徵：任何碼片與自己的規格化內積為1，與自己反碼的規格化內積為-1

五 數字傳輸系統

(一) 早期數字傳輸系統

在早期電話網中，從市話局到用戶電話機的用戶線是採用最廉價的雙絞線電纜，而長途幹線採用的是頻分復用 FDM 的模擬傳輸方式

與模擬通訊相比，數字通訊無論是在傳輸品質上還是經濟上都有明顯的優勢

目前，長途幹線大都採用時分復用 PCM 的數字傳輸方式

脈碼調製 PCM 體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話

(二) 早期數字傳輸系統的缺點

• 速率標準不一

• 不是同步傳輸

現代的傳輸網路的傳輸媒體：光纖

同步光纖網(SONET)：各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘，為光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構

同步數字系列(SDH)：由sonet為基礎發展的國際標準

六 頻寬接入技術

(一) ADSL技術

ADSL技術：非對稱數字用戶線，將原有的模擬電話線進行改造，使其能夠承載寬頻業務

• 將0-4k的低端頻譜留給電話使用，將剩餘部分給寬頻使用，其中上行頻寬小於下行頻寬

傳輸距離：與數據率和用戶線的線徑（粗細）有關

傳輸速度：與實際用戶線的信噪比密切相關

數據率：採用自適應調製技術使用戶線能夠傳輸儘可能多的數據，受環境和線路條件影響較大

特點：上行和下行頻寬不對稱、需要在用戶線兩端各安裝一個數據機

(二) 第二代ADSL

第二代ADSL：得到更高的數據率，採用無縫速率自適應技術，可在運營中不中斷通訊和不產生誤碼的情況下，自適應的調整數據率

光纖同軸混合網（HFC）：是目前覆蓋面較廣的有線電視網，採用模擬技術，頻分復用，主幹部分使用光纖，入戶部分使用同軸電纜

(三) FTTx技術

FTTx技術：是一種實現寬頻居民接入網的方案，代表多種寬頻光纖接入方式

無源光網路PON：為有效利用光纖資源，在光纖幹線和用戶之間使用無源光網路PON。無源光網路無須配備電源，長期運行和管理成本低。

最流行的無源光網路是乙太網無源光網路EPON和吉比特無源光網路GPON

七 結尾

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