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文章目录物理层的基本概念传输媒体同轴电缆双绞线光纤电力线电磁波红外线可见光传输方式串行传输和并行传输同步传输和异步传输单工半双工以及全双工通信编码与调制常用编码不归零编码归零编码曼彻斯特编码差分曼彻斯特编码基本调制混合调制信道的极限容量奈氏准则香农公式物理层的基本概念
在计算机网络中用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多大致可以分为两类
导引型传输媒体 常见的有双绞线同轴电缆光纤 非导引型传输媒体 常见的是微波通信例如使用2.4G赫兹和5.8g赫兹频段的WiFi
计算机网络体系结构中的物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。所谓透明是指数据链路层看不见也无需看见物理层究竟使用的是什么方法来传输比特0和1的他只管享受物理层提供的比特流传输服务即可。 物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题主要有以下4个任务分别是
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顺序固定和锁定装置。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的某一电瓶的电压表示何种意义。过程特性指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
由于传输媒体的种类众多例如双脚线、光纤等物理连接方式也很多例如点对点连接广播连接等。因此物理层协议种类就比较多每种物理层协议都包含了上述4个任务的具体内容。
传输媒体 请大家注意传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层如果非要将它添加到体系结构中那只能将其放在物理层之下 传输媒体可分为两类
导引型传输媒体电磁波被导引沿着固体媒体传播 同轴电缆双脚线、光纤、电力线 非导引型传输媒体自由空间可使用的电磁波 无线电波、微博、红外线、可见光
同轴电缆
我们首先来看导引型传输媒体同轴电缆这是一根同轴电缆的示意图这是内导体铜制芯线可以是单股实心线或者是多股绞和线这是绝缘层这是网状编织的外导体屏蔽层这是绝缘保护套层这是同轴电缆的横切面可以看出各层都是共圆心的也就是同轴心的这就是同轴电缆名称的由来。 同轴电缆有两类一类是50欧阻抗的基带同轴电缆用于数字传输在早期局域网中广泛使用。
另一类是75欧阻抗的宽带同轴电缆用于模拟传输目前主要用于有线电视的入户线
铜轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便。随着集线器的出现在局域网领域双绞线取代了同轴电缆。
双绞线
我们来看双绞线下面是无屏蔽双脚线电缆和屏蔽双脚线电缆的示意图 双绞线是最古老也是最常用的传输媒体把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起然后按照一定规则搅合起来就构成了双绞线。例如图中所示的这根无屏蔽双绞线电缆包含8根通道线每两根搅合成一条双脚线蓝色线和蓝白双色线进行搅和橙色线和橙白双色线进行搅和绿色线和绿白双色线进行搅合棕色线和棕白双色线进行搅和。搅和有两个作用一个是抵御部分来自外界的电磁干扰另一个是减少相邻导线的电磁干扰
屏蔽双绞线电缆比无屏蔽双绞线电缆增加了金属丝编织的屏蔽层提高了抗电磁干扰的能力。当然了价格也要更贵一些
这是常用的绞和线的类别带宽和典型应用。目前家庭局域网主流带宽为1G比特每秒选用大品牌质量好的超5类双绞线电缆可以满足。考虑到未来发展在经济条件允许的情况下建议选用6a类双脚线电缆以满足万兆局网的需求。
光纤
再来看光纤这是一根室外四芯光缆的示意图这是它的内部结构图。由于光纤非常细因此必须将它做成很结实的光缆一根光缆少则只有一根光纤多则可包括数十甚至是数百根光纤再加上加强圈和填充物就可以大大提高机械强度必要时还可放入远供电源线最后加上包带层和外护套就可以使抗压强度达到几千克完全可以满足工程施工的强度要求。
光纤的纤芯非常细多模光纤的纤芯直径有50微米和62.5微米单模光纤的纤芯直径为9微米而纤芯外面的包层也非常细直径不超过125微米。在光纤通信中常用三个波段的中心分别位于0.85微米、1.3微米和1.55微米。
光纤有很多优点例如
通信容量非常大传输损耗小在远距离传输时更加经济抗雷电和电磁干扰性能好这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。无串音干扰保密信号不易被窃听体积小重量轻例如一公里长的1000段双脚线电缆约重8000公斤而同样长度但容量大得多的一段两星光缆仅撞100公斤
当然了光纤也有自身的缺点例如割接光纤需要专用设备目前光电接口的价格还比较贵。 接下来我们来看看光在光纤中传输的基本原理这是纤芯它是由非常透明的石英玻璃拉成的细丝这是包裹在纤芯外层的包层它是折射率比光纤低的玻璃封套 在发送端可以采用发光二极管或半导体激光器作为光源在接收端可以采用光电二极管或激光检波器检测光脉冲。当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时其折射角将大于入射角如图所示。因此如果入射角足够大就会出现全反射也就是光碰到包层时就会反射回纤芯。该过程反复进行光也就沿着光纤传输下去。 实际上只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某一个临界角度就可产生全反射因此可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中进行传输。这种光纤称为多模光纤。由于光的色散问题光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真也就是脉冲展宽如图所示因此多模光纤只适合近距离传输。例如在建筑物内多模光纤对光源的要求不高可以使用比较便宜的发光二极管相应的可采用光电二极管检测光脉冲 若光纤的直径减小到只有一个光的波长则光纤就像一根波导那样它可使光线一直向前传播而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤单模光纤没有模式色散在1.3微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反两者正好抵消没有脉冲展宽问题。如图所示。单模光纤适合长距离传输且衰减小但它的制造成本高对光源要求也高需要使用昂贵的半导体激光器作为光源相应的需要采用激光剪播器检测光脉冲。
电力线
我们再来看看采用电力线作为传输媒体的情况这并不是什么新技术早在20世纪20年代初期就出现了。应用电力线传输信号的实例最早是电力线电话。
目前如果要构建家庭高性能局域网采用电力线作为传输媒体是不能满足要求的。
对于装修时没有进行网络布线的家庭可以采用这种方式。
对于一些采用独立房间进行办公的企业来说每间办公室的电脑数量不多而又不希望跨办公室进行布线也可以采取这种方式。
每个办公室只需根据需求在电源插座上插入一个或多个电力猫即可。 电磁波
下面我们来看非导引型传输媒体也就是自由空间我们可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息这是电磁波的频谱 这段频率范围不用于电信领域而这一段频率范围的电磁波很难产生和调制由于频率非常高波长就非常短因此穿透障碍物的能力就非常弱更为严重的是该频段的电磁波对生物是有害的因此人们很难利用该频率范围的电磁波进行数据传输这段频率范围的电磁波可以通过调制波的振幅、频率或相位来传输信息 这是国际电信联盟ITU对电磁波频段的划分 从极低频到甚低频也就是从极长波到甚长波这些频段并不用于电信领域
从低频到甚高频也就是从长波到米波这些频段的电磁波又称为无线电波用于国际广播海事和航空通讯电台广播、电视广播等 从特高频到极高频也就是从分米波到毫米波这些频段的电磁波又称为微波用于无线电话无线网络雷达人造卫星接收射电天文、人体扫描等。
无线电波中的低频和中频频段主要利用地面波进行传输而高频和甚高频频段主要是靠电离层的反射 微波通信在数据通信中占有重要地位频率范围为300兆赫兹到300g赫兹也就是波长一米到一毫米但主要使用2~40级赫兹的频率范围。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能经过电离层的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一种是地面微波接力通信另一种是卫星通信。
由于微波在空间是直线传播的而地球表面是个曲面因此其传播距离受到限制一般只有50公里左右但若采用100米高的天线塔则传播距离可增大到100公里。为实现远距离通信必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站。故称为接力
常用的卫星通信方法是在地球站之间利用位于约36,000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。其最大特点是通信距离远相应的传播时延也比较大一般在250~300毫秒之间。除同步卫星外低轨道卫星通信系统已开始在空间部署并构成了空间高速链路
红外线
利用红外线来传输数据相信大家并不陌生很多家用电器例如电视空调等都配套有红外遥控器以前的笔记本电脑基本都带有红外接口可以进行红外通信
红外通信属于点对点无线传输中间不能有障碍物传输距离短传输速率也很低。现在笔记本电脑已经取消了红外接口但很多智能手机还带有红外接口以方便用户对电视空调等家用电器进行红外遥控。 可见光 互联网时代,宅男宅女们最大的梦想就是世界上任何一个角落都遍布着WiFi要是再有电源那这一辈子都值了人们已经习惯了有WiFi的日子可是现在告诉你有一种比WiFi更高大上的LIFI出现了你知道吗LIFI就是传说中的可见光通信通俗的来说就是LED灯上LIFI。最新的OLEDCOMMON LIFI技术以每秒开关千万次LE灯来调制光信号上网和数据传输完全不在话下完全不用担心眼睛被晃瞎人的肉眼绝对是分辨不出来的。 好了大家觉得LIFI能够取代WiFi吗短时期内应该是无法取代的想想看如果两个房间内的网络设备要基于LIFI通信如何做到可见光的同步目前LIFI还处于实验研究阶段但其应用前景被很多人看好。
最后还要提醒大家注意要使用某一段无线电频谱进行通信通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。
我国的无线电频谱管理机构是工信部无线电管理局美国的无线电频谱管理机构是联邦通讯委员会FCC
也有一些无线电频段是可以自由使用的成为ISM频段也就是工业科学医疗频段这是美国的ISM频段现在的无线局域网就使用其中的2.4G赫兹和5.8g赫兹频段各国的ISM标准可能略有不同。 传输方式
我们介绍几种传输方式他们是
串行传输和并行传输同步传输和异步传输单工半双工以及全双工通信
串行传输和并行传输 串行传输是指数据是一个个比特依次发送的因此在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可。 并行传输是指一次发送n个比特而不是一个比特。为此在发送端和接收端之间需要有n条传输线路
并行传输的优点是速度为串行传输的n倍但也存在一个严重的缺点即成本高。 在计算机网络中数据在传输线路上的传输采用的是串行传输 计算机内部的数据传输常采用并行传输方式例如CPU与内存之间通过总线进行数据传输常见的数据总线宽度有8位、16位、32位和64位。 同步传输和异步传输
采用同步传输方式数据块以稳定的比特流的形式传输字节之间没有间隔接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测以判别接收到的是比特0还是比特1。
由于不同设备的时钟频率存在一定差异不可能做到完全相同在传输大量数据的过程中所产生的判别时刻的累积误差会导致接收端对比特信号的判别错位。 因此需要采取方法使收发双方的时钟保持同步实现收发双方时钟同步的方法主要有两种:
一种是外同步也就是在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线发送端在发送数据信号的同时另外发送一路时钟同步信号接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。另一种是内同步也就是发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输。例如传统以太网所采用的就是曼彻斯特编码.
采用异步传输方式时以字节为独立的传输单位字节之间的时间间隔不是固定的接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。
为此通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位这里异步是指字节之间异步也就是字节之间的时间间隔不固定但字节中的每个比特仍然要同步也就是个比特的持续时间是相同的。
单工半双工以及全双工通信
单工通信又称为单向通信通信双方只有一个数据传输方向比如无线电广播采用的就是这种通信方式半双工又称为双向交替通信通信双方可以相互传输数据但不能同时进行。例如对讲机采用的就是这种通信方式全双工通信又称为双向同时通信双方可以同时发送和接收信息例如电话采用的就是这种通信方式单向通信只需要一条信道而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道每个方向各一条
编码与调制
在计算机网络中计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频他们可以统称为消息。
数据是运送消息的实体我们人类比较熟悉的是十进制数据而计算机只能处理二进制数据也就是比特0和比特1计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的电信号发送到网线也就是说信号是数据的电磁表现由信息源发出的原始电信号称为基带信号。此时的信号还没经过编码与调制。 基带信号又可分为两类
一类是数字基带信号例如计算机内部CPU与内存之间传输的信号另一类是模拟基带信号例如麦克风收到声音后产生的音频信号
信号需要在信道中进行传输信道可分为数字信道和模拟信道两种。对于数字基带信号在两种信道上传输
在不改变信号性质的前提下仅对数字基带信号的波形进行变换称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号可以在数字信道中传输例如以太网使用曼彻斯特编码4B/5B、8B/10B等编码把数字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称为调制。调制后产生的信号是模拟信号可以在模拟信道中传输。例如WiFi使用补码键控直接序列扩频正交评分复用等调制方法。
对于模拟基带信号在两种信道上传输对于模拟基带信号的处理也有编码和调制两种方法
对模拟基带信号进行编码的典型应用是对音频信号进行编码的脉码调制PCM。也就是将模拟音频信号通过采样量化编码这三个步骤进行数字化对模拟信号进行调制的典型应用是将语音数据加载到模拟的载波信号中传输例如传统的电话另一个是频分复用FDM技术可以充分利用带宽资源。调制方法有例如WIFI采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分服用OFDM等 接下来我们介绍码元的概念在使用时间域的波形表示数字信号时代表不同离散数值的基本波形成为码元。简单来说码元就是构成信号的一段波形例如上图左下角有一个调频信号有绿色段波形是构成该信号的一个基本波形我们可称其为码元它可以表示比特0当然也可以表示比特1蓝色段波形是构成该信号的另一个基本模型也称为码元。它可以表示比特1可见该信号由两种码元构成。
顺便提一下传输媒体与信道的关系严格来说传输媒体和信道不能直接划等号 对于单工传输传输媒体中只包含一个信道要么是发送信道要么是接收信道。 而对于半双工和全双工传输传输媒体中要包含两个信道一个是发送信道另一个是接收信道。 如果使用信道复用技术一条传输媒体还可以包含多个信道在计算机网络中常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。
常用编码 接下来我们对这些常用编码一一进行说明。
不归零编码
以下待传输的比特流和采用不归零编码产生的该比特流的相应信号。正电平表示比特1负电平表示比特0这是0电平所谓不归零就是指在整个码元时间内电瓶不会出现零电平例如该码元在其时间内全部是正电平而该码元在其时间内全部是负点平。
请大家思考一下接收端如何判断出这是两个码元而这是三个码元 相同码元之间因为没有电位变化所以无法将相邻码元区分开来故生此疑问 这需要发送方的发送与接收方的接收做到严格的同步所以需要额外一根传输线来传输时钟信号接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元。然而对于计算机网络宁愿利用传输线来传输数据信号而不是要传输时钟信号
归零编码
由于不归零编码存在同步问题计算机网络中的数据传输不采用这类编码下图为归零编码
很明显每个码元传输结束后信号都要归零所以接收方只要在信号归0后进行采样即可不需要单独的时钟信号。实际上归零编码相当于把时钟信号用归零方式编码在了数据之内这称为自同步信号但是归零编码中大部分的数据带宽都用来传输归零而浪费掉了。
也就是说归零编码的优点是自同步但缺点是编码效率低
曼彻斯特编码
曼彻斯特编码如下图所示在每个码元时间的中间时刻信号都会发生跳变比如负跳变表示比特1正跳变表示比特0(也可以负跳变表示比特0正跳变表示比特1)码元中间时刻的跳变既表示时钟要表示数据传统以太网使用的就是曼彻斯特编码 差分曼彻斯特编码
下图为差分曼彻斯特编码如图所示在每个码元时间的中间时刻信号都会发生跳变与曼彻斯特编码不同跳变仅表示时钟而用码元开始处电平是否发生变化来表示数据。 如图所示这是每个码元的开始处和结束处。 依据码元开始处电平是否发生变化来表示比特0或比特1。
差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码变化少更适合较高的传输速率 练习题目 10BaseT中的10表示带宽为10兆比特每秒base表示基带传输T表示双脚线这种以太网使用曼彻斯特编码根据曼彻斯特编码的特点也就是每个码元在其中间时刻发生跳变可以划分出所给信号中的各码元。至于正跳变表示1还是0负跳变表示0还是1没有具体规定可以自行假设。 我们假设正跳变表示1负跳变表示0那么该码元表示1该码元表示一该码元表示0该码元表示0该码元表示1至此可以发现没有一个答案是符合的那说明我们的假设有错误 那么应该是正跳变表示0负跳变表示1写出各码元所表示的比特现在可以看出正确答案是a 基本调制
下面我们介绍基本调制方法下图是待传输的数字基带信号也就是来自信源的原始数字信号我们要使用模拟信道来传输因此需要将数字基带信号通过调制方法调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号
调幅所产生的模拟信号无载波输出表示比特0有载波输出表示比特1调频所产生的模拟信号。频率f1的波形表示比特0频率f2的波形表示比特1调相所产生的模拟信号。初向位0度的波形表示比特0初向位180度(Π)的波形表示比特1。
混合调制
很明显使用基本调制方法一个码元只能表示或者说包含一个比特信息那么如何能使一个码元包含更多的比特
可以采用混合调制的方法因为频率和相位是相关的也就是说频率是相位随时间的变化率所以一次只能调制频率和相位两个中的一个
通常情况下相位和振幅可以结合起来一起调制称为正交振幅调制QAM。
我们来看属于正交振幅调制的qm16这种调制方法所调制出的波形可以有12种相位每种相位有一或两种振幅可选。我们可在星座图中画出该调制方法所产生的码元该点就要表示其中的一个码元它与圆心连线的距离可看作是振幅连线与横坐标的夹角可看作是相位 这是QAM16可调制出的16种码元。请大家思考一下每个码元可以包含几个比特由于qm16可以调制出16种码元也就是16种波形则每种码元可以对应表示4个比特 那么每个码元与4个比特的对应关系可以随便定义吗如图所示这是我们随便定义的每个码元所对应的4个比特 假设ABCDE是接收端接收到的5个码元这5个码元原本都是表示4个比特0的由于传输过程中产生失真导致他们在星座图中并未落在理想的位置接收端会将码元ABC解调为0000这是正确的。 将码元D调为0001有一个错位将码元E写条为11114位全错这就说明每个码元与4个比特的对应关系不能随便定义。
每个码元与4个比特的对应关系应该采用格雷玛也就是任意两个相邻码源只有一个比特不同如图所示
信道的极限容量
我们都知道信号在传输过程中会受到各种因素的影响如图所示这是一个数字信号当它通过实际的信道后波形会产生失真当失真不严重时在输出端还可根据以失真的波形还原出发送的码元但当失真严重时在输出端就很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0。信号波形失去了码元之间的清晰界限这种现象叫做码间串扰。 产生失真的原因主要有码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰传输媒体质量等。
奈氏准则
早在1924年奈奎斯特就推导出了著名的奈氏准则他给出了在假定的理想条件下为了避免码间串扰码元传输速率的上限。 如果带宽远小于可通过的最低频率就是带通信道否则就是低通信道 需要说明的是实际的信道所能传输的最高码元速率要明显低于奈式准则给出的上限值这是因为奈式准则是在假定的理想条件下推导出来的他不考虑其他因素例如传输距离、噪声干扰传输媒体质量等。
仅从公式来看只要采用更好的调制方法让码元可以携带更多的比特岂不是可以无限制的提高信息的传输速率吗答案是否定的信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比因为信道中的噪声也会影响接收端对码元的识别并且噪声功率相对信号功率越大影响就越大。 但是奈氏准则给了我们一种提高信息的传输速率的思路那就是码元可以携带更多的比特也就是采用更好的调制方法 香农公式
1948年香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率具体公式如下所示。
从香农公式可以看出信道带宽或信道中信噪比越大信息的极限传输速率就越大。
需要说明的是在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少这是因为在实际信道中信号还要受到其他一些损伤例如各种脉冲干扰信号在传输中的衰减和失真等这些因素在香农公式中并未考虑。
综合来看奈式准则和香农公式。在信道带宽一定的情况下要想提高信息的传输速率就必须采用多元制并努力提高信道中的信噪比。
自从香农公式发表以后各种新的信号处理和调制方法就要不断出现其目的都是为了尽可能的接近香农公式所给出的传输速率极限。
