【電腦網路】物理層基礎知識

標籤：iso   電纜   使用   說話   字型   缺點   基礎知識   發送資訊   變換   

Chapter2:物理層 重點總結和記錄 物理層

考慮的是怎樣才能在串連各種電腦的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體。

物理層的作用是要儘可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通訊手段的差異。

用於物理層的協議也常稱為物理層規程

物理層的主要任務：

描述為確定與傳輸媒體的介面的一些特性：

• 機械特性 指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。
• 電氣特性 指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
• 功能特性 指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
• 過程特性 指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

重要概念

資料(data)——運送訊息的實體。（訊息是具體的資訊）

訊號(signal)——資料的電氣的或電磁的表現。

類比訊號 (analogous signal) ——代表訊息的參數的取值是連續的。例如，當我們說話時，聲音大小是連續變化的，因此運送話音資訊的聲波就是類比資料，電話線上的話音訊號是類比訊號。

數字訊號 (digital signal)——代表訊息的參數的取值是離散的。例如電腦上的網卡發送的0100110形式的資料是數字資料，其對應的在電纜上傳遞的訊號是數字訊號。

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互動。

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(當然也就不能同時接收)。

雙向同時通訊（全雙工系統通訊）——通訊的雙方可以同時發送和接收資訊。

基帶訊號（即基本頻帶訊號）

? 來自信源的訊號。

? 基帶訊號是離散的，即數字訊號，就是將數字訊號1或0直接用只包含兩種不同電壓的波形來表示，然後送達線路上去。波形中只包含兩種或幾種不同的離散電壓值

? 舉例：電腦輸出的各種文字映像的資料訊號都是基帶訊號。

? 不利之處：基帶訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多通道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量 ，必須對基帶訊號進行調製。

調製分類：

• 基帶調製：僅對基帶訊號的波形進行變換，使它能夠與通道特性相適應。變換後的訊號仍然是基帶訊號（依然是數字訊號）。把這種過程稱為編碼 (coding) 。
• 帶通調製：使用載波 (carrier)進行調製，把基帶訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換為類比訊號，這樣就能夠更好地在類比通道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過通道） 。經過載波調製後的訊號叫做帶通訊號  。

一般來說，基帶調製就叫編碼，而提起調製，指的是帶通調製。

傳輸媒體

主要是導引型和非導引型傳輸媒體。

導引型：雙絞線：

分為無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線。

特點：價格便宜，抗幹擾性差，既可用來傳輸類比訊號又可用來傳輸數字訊號。

同軸電纜：

一般用50歐姆和75歐姆。

同軸電纜具有很好的抗幹擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的資料 )，也是同樣可以數字訊號/類比訊號。

光纜：

光纖是光纖通訊的傳輸媒體。分為多模光纖和單模光纖。

傳輸頻寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的頻寬。

非導引型：

保密性差。

主要是短波和微波通訊：

短波通訊：

主要是靠電離層的反射，但短波通道的通訊品質較差。

微波通訊：

無線電微波通訊在資料通訊中佔有重要地位

微波在空間主要是直線傳播。

微波通訊主要是基站直視和衛星通訊，抗幹擾性好。

藍芽技術特徵——跳頻技術：安全。

複用 ：

指允許使用者使用一個共用通道進行通訊，降低成本，提高利用率。

頻分複用 FDM ：所有使用者在同樣的時間佔用不同的頻寬資源（請注意，這裡的“頻寬”是頻率頻寬而不是資料的發送速率）。

時分複用 TDM：是將時間劃分為一段段等長的時分複用幀（TDM 幀）。每一個時分複用的使用者在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。每一個使用者所佔用的時隙是周期性地出現（其周期就是 TDM 幀的長度）。TDM 訊號也稱為等時(isochronous)訊號。時分複用的所有使用者是在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度。

時分複用可能會造成線路資源的浪費 。

統計時分複用 STDM ：STDM 幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙。因此統計時分複用可以提高線路的利用率。

波分複用就是光的頻分複用。使用一根光纖來同時傳輸多個光載波訊號。

碼分複用 CDM ：碼分多址 CDMA

這種系統發送的訊號有很強的抗幹擾能力，其頻譜類似於白色雜訊，不易被敵人發現。

碼片序列(chip sequence) :

每一個位元時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片 (chip)。

每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列，如發送位元 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。如發送位元 0，則發送該碼片序列的二進位反碼。 計算中將0用-1表示。

每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交 (orthogonal)。

在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。

通道中的資料是各站發送的資料的疊加。

兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規格化內積 (inner product) 等於 0

任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是 1 。

任何一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1。

何一個碼片向量和其他碼片的向量或其他碼片反碼的向量的規格化內積都是0。

設某一站接收到的各站發來的碼的疊加值為: M(M1,M2,M3,…Mm), 求S站發送何資料 ：S·M，若為1則S發送的是1，若為-1則S發送的是0，若為0則S並未發送資料。

上面是類比傳輸系統，下面：

數字傳輸系統

與類比通訊相比，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。

脈衝編碼調製

脈衝編碼調製就是把一個時間連續，取值連續的類比訊號變換成時間離散，取值離散的數字訊號後在通道中傳輸。

對類比訊號先抽樣，再對樣值幅度量化。

抽樣定理：

在進行類比/數字訊號的轉換過程中，當抽樣頻率大於訊號中最高頻率的2倍時，抽樣之後的數字訊號完整地保留了原始訊號中的資訊。

量化：

幅度上仍連續的抽樣訊號進行幅度離散，即指定M個規定的電平，把抽樣值用最接近的規定電平表示的過程稱為量化 。這有限個電平稱為量化電平。

與抽樣的關係：抽樣是把一個時間連續訊號變換成時間離散的訊號，而量化則是將取值連續的抽樣變成取值離散的抽樣值序列。

量化雜訊：量化產生的量化誤差

舊的數字傳輸系統存在著許多缺點 ：

• 速率標準不統一

• 不是同步傳輸

非同步通訊與同步通訊 ：非同步通訊：

非同步通訊是指通訊的發送與接收裝置使用各自的時鐘控制資料的發送和接收過程。為使雙方的收發協調，要求發送和接收裝置的時鐘儘可能一致 。

非同步通訊的特點：不要求收發雙方時鐘的嚴格一致，實現容易，裝置開銷較小，但每個字元要附加2～3位用於起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。非同步通訊是以字元（幀）為單位進行傳輸，字元與字元之間的間隙（時間間隔）是任意的，即字元之間是非同步，但同一字元內的各位是同步的。

同步通訊：

同步通訊時要建立發送方時鐘對接收方時鐘的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸資料的位之間的距離均為“位間隔”的整數倍，同時傳送的字元間不留間隙，即保持位同步關係，也保持字元同步關係。發送方對接收方的同步可以通過兩種方法實現：外同步和自同步。左圖和右圖：

同步光纖網 SONET 和同步數字系列 SDH：

同步光纖網 SONET (Synchronous Optical Network)  的各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘。 n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： 一般認為 , SDH 與 SONET 基本相同。我國採用的是SDH標準。

我國數字同步網SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字型系），主要技術：多基準鐘，分區等級主從同步方式。

SONET / SDH 標準的意義 ：

• 使不同的數字傳輸體制在 STM-1 等級上獲得了統一。
• 第一次真正實現了數字傳輸體制上的世界性標準。
• 已成為公認的新一代理想的傳輸網體制。
• SDH 標準也適合於微波和衛星傳輸的技術體制。

寬頻接入技術ADSL技術

用數字技術對現有的類比電話使用者線進行改造，使它能夠承載寬頻業務。 ADSL 技術就把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給使用者上網使用。

DSL 就是數位用戶線路(Digital Subscriber Line)的縮寫。

上行和下行頻寬做成不對稱的。上行指從使用者到 ISP，而下行指從 ISP 到使用者。

ADSL技術特點 ：

• 充分利用已鋪設的大量市話雙絞銅線，保持資源。
• 多採用先進的DMT線路編碼方式，抗串音和其他幹擾的能力較強，並可根據線路長度，雜訊情況自適應地選擇傳輸速率。
• 在一條線路上可同時傳送傳統的POTS業務和ADSL業務，並且互不影響。
• 由於每根雙絞線由每個ADSL使用者專屬，因而ADSL頻寬也由每個ADSL使用者所獨佔，而非頻寬共用。
• 由於ADSL的傳輸可靠性相對較低，且傳輸速率有限，因而主要適用於家庭使用者和中小型商業使用者。
• ADSL所能得到的最高資料轉送速率與實際的使用者線上的信噪比密切相關，實際上不大。

ADSL 在使用者線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 數據機。我國目前採用的方案是離散多音調 DMT (Discrete Multi-Tone)調製技術。這裡的“多音調”就是“多載波”或“多子通道”的意思。

DMT技術：

DMT 調製技術採用頻分複用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子通道，其中 25 個子通道用於上行通道，而 249 個子通道用於下行通道。

每個子通道佔據 4 kHz 頻寬（嚴格講是 4.3125 kHz），並使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調製。這種做法相當於在一對使用者線上使用許多小的數據機並行地傳送資料。

第二代ADSL：

通過提高調製效率得到了更高的資料率。

光纖同軸混合網 HFC （Hybrid Fiber Coax ）：

nHFC 網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬頻接入網。

HFC網的主幹線路採用光纖 。n在光纖結點以下就是同軸電纜。

HFC 網具有雙向傳輸功能，擴充了傳輸頻帶。

FTTx 技術 ：

nFTTx 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。

FTTx 表示 Fiber To The…（光纖到…使用者、小區、路邊..）

【電腦網路】物理層基礎知識