目錄

• 1 物理層的基本概念
• 2 數據通信的基礎知識
• • 2.1 數據通信系統的模型
  • 2.2 幾個專業術語
  • 2.3 有關信號的幾個基本概念
  • 2.4 基帶(baseband)信號和帶通(band pass)信號
  • 2.5 幾種最基本的調制方法
  • 2.6 信道的極限容量
  • • 2.6.1 信道能夠通過的頻率范圍
    • 2.6.2 信噪比
    • 2.6.3 香農公式的意義
• 3 物理層下面的傳輸媒體
• • 3.1 導向傳輸媒體
  • • 3.1.1 雙絞線
    • 3.1.2 同軸電纜
    • 3.1.3 光纜
• 4 信道復用技術
• • 4.1 頻分復用、時分復用和統計時分復用
  • 4.2 頻分復用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
  • 4.3 時分復用TDM (Time Division Multiplexing)
  • • 4.3.1 時分復用可能會造成線路資源的浪費
  • 4.4 波分復用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)
  • 4.5 碼分復用 CDM (Code Division Multiplexing)
  • • 4.5.1 碼片序列(chip sequence)
    • 4.5.2 CDMA 的工作原理
• 5 寬帶接入技術
• • 5.1 xDSL 技術
  • 5.2 xDSL 的幾種類型
  • 5.3 ADSL 非對稱數字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line）
  • • 5.3.1 ADSL 的極限傳輸距離
    • 5.3.2 ADSL 的特點
    • 5.3.3 DMT 技術
    • 5.3.4 ADSL 的數據率
    • 5.3.5 ADSL 的組成
  • 5.4 光纖同軸混合網 HFC (Hybrid Fiber Coax)
  • • 5.4.1 HFC 網采用結點體系結構
  • 5.5 FTTx 技術

1 物理層的基本概念

物理層的主要任務描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性，即：

• 機械特性：指明接口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：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍
• 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：指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序

2 數據通信的基礎知識

2.1 數據通信系統的模型

2.2 幾個專業術語

• 數據(data)：運送消息的實體
• 信號(signal)：數據的電氣的或電磁的表現
• “模擬的”(analogous)：代表消息的參數的取值是連續的
• “數字的”(digital)：代表消息的參數的取值是離散的
• 碼元(code)：在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形

2.3 有關信號的幾個基本概念

• 單向通信（單工通信）：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互
• 雙向交替通信（半雙工通信）：通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)
• 雙向同時通信（全雙工通信）：通信的雙方可以同時發送和接收信息

2.4 基帶(baseband)信號和帶通(band pass)信號

• 基帶信號（即基本頻帶信號）：來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬于基帶信號
• 帶通信號——把基帶信號經過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道）

2.5 幾種最基本的調制方法

基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一問題，必須對基帶信號進行調制(modulation)最基本的二元制調制方法有以下幾種：

• 調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化
• 調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化
• 調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化
  

2.6 信道的極限容量

任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。

• 有失真，但可識別
  
• 失真大，無法識別
  

2.6.1 信道能夠通過的頻率范圍

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。

2.6.2 信噪比

香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為：

• $C=Wlo{g}_2(1+S/N)$ 單位 $b/s$
• $W$ 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）
• $S$ 為信道內所傳信號的平均功率
• $N$為信道內部的高斯噪聲功率

2.6.3 香農公式的意義

信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高

只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸

若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限

實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少

3 物理層下面的傳輸媒體

電信領域使用的電磁波的頻譜：

3.1 導向傳輸媒體

3.1.1 雙絞線

• 屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)
  
• 無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)
  

3.1.2 同軸電纜

• 50 歐姆 同軸電纜
• 75 歐姆 同軸電纜
  

3.1.3 光纜

光線在光纖中的折射：

光纖的工作原理：

多模光纖與單模光纖：

• 多模光纖
  
• 單模光纖
  

4 信道復用技術

4.1 頻分復用、時分復用和統計時分復用

復用(multiplexing)是通信技術中的基本概念：

• 不使用復用技術
  
• 使用復用技術
  

4.2 頻分復用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。

頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）

4.3 時分復用TDM (Time Division Multiplexing)

時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM 幀）。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。

每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是 TDM 幀的長度）。

TDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。

時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

注：A、B、C、D在 TDM 幀中的位置不變，始終是周期性的某一時間段

4.3.1 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計算機數據時，由于計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。

統計時分復用 STDM (Statistic TDM)

4.4 波分復用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

波分復用就是光的頻分復用：

4.5 碼分復用 CDM (Code Division Multiplexing)

常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)

各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾

這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現

每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)

4.5.1 碼片序列(chip sequence)

每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列：

• 如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。
• 如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。

例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011：

• 發送比特 1 時，就發送序列 00011011
• 發送比特 0 時，就發送序列 11100100

S 站的碼片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

4.5.2 CDMA 的工作原理

5 寬帶接入技術

5.1 xDSL 技術

xDSL 技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。

雖然標準模擬電話信號的頻帶被限制在 300~3400 kHz 的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。

xDSL 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用戶上網使用。

DSL 就是數字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數字用戶線上實現的不同寬帶方案。

5.2 xDSL 的幾種類型

• ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數字用戶線
• HDSL (High speed DSL)：高速數字用戶線
• SDSL (Single-line DSL)：1 對線的數字用戶線
• VDSL (Very high speed DSL)：甚高速數字用戶線
• DSL ：ISDN 用戶線
• RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自適應 DSL，是 ADSL 的一個子集，可自動調節線路速率）

5.3 ADSL 非對稱數字用戶線路（Asymmetric Digital Subscriber Line）

5.3.1 ADSL 的極限傳輸距離

ADSL 的極限傳輸距離與數據率以及用戶線的線徑都有很大的關系（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），而所能得到的最高數據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關。

例如，0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5 ~ 2.0 Mb/s 時可傳送 5.5 公里，但當傳輸速率提高到 6.1 Mb/s 時，傳輸距離就縮短為 3.7 公里。

如果把用戶線的線徑減小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的傳輸速率下就只能傳送2.7公里

5.3.2 ADSL 的特點

• 上行和下行帶寬做成不對稱的。
• 上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。
• ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調制解調器
• 我國目前采用的方案是離散多音調 DMT (Discrete Multi-Tone)調制技術。這里的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。

5.3.3 DMT 技術

• DMT 調制技術采用頻分復用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分為許多的子信道，其中 25 個子信道用于上行信道，而 249 個子信道用于下行信道。
• 每個子信道占據 4 kHz 帶寬（嚴格講是 4.3125 kHz），并使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調制。這種做法相當于在一對用戶線上使用許多小的調制解調器并行地傳送數據。
• DMT 技術的頻譜分布：
  

5.3.4 ADSL 的數據率

由于用戶線的具體條件往往相差很大（距離、線徑、受到相鄰用戶線的干擾程度等都不同），因此 ADSL 采用自適應調制技術使用戶線能夠傳送盡可能高的數據率。

當 ADSL 啟動時，用戶線兩端的 ADSL 調制解調器就測試可用的頻率、各子信道受到的干擾情況，以及在每一個頻率上測試信號的傳輸質量。

ADSL 不能保證固定的數據率。對于質量很差的用戶線甚至無法開通 ADSL。

通常下行數據率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之間，而上行數據率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之間。

5.3.5 ADSL 的組成

• 數字用戶線接入復用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)
• 接入端接單元 ATU (Access Termination Unit)
• ATU-C（C 代表端局 Central Office）
• ATU-R（R 代表遠端 Remote）
• 電話分離器 PS (POTS Splitter)

5.4 光纖同軸混合網 HFC (Hybrid Fiber Coax)

HFC 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帶接入網。

HFC 網除可傳送 CATV 外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。

現有的 CATV 網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它采用模擬技術的頻分復用對電視節目進行單向傳輸。而 HFC 網則需要對 CATV 網進行改造

5.4.1 HFC 網采用結點體系結構

5.5 FTTx 技術

FTTx（光纖到……）也是一種實現寬帶居民接入網的方案。這里字母 x 可代表不同意思

• 光纖到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設到用戶家庭可能是居民接入網最后的解決方法
• 光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)：光纖進入大樓后就轉換為電信號，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶
• 光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：從路邊到各用戶可使用星形結構雙絞線作為傳輸媒體

總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第二章：物理层的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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