计算机网络笔记 —— 物理层 2

1.1 复用技术

让多个用户共享同一根信道,复用技术是干线上的技术,主要问题在于干线起点如何共用,干线终点如何分离的。

频分多路复用FDM

在干线的起点,信道的频谱被分为若干段(子带),每个用户占据一段来传输自己的信号,到了干线的终点,每个子带的信号被单独分离给各个用户。

相邻用户使用的频带(子带)之间通常留有一定的带宽,以免混淆,这个频段被称为保护带。

正交FDM(Orthogonal FDM)简称(OFDM)

一种更好的利用带宽的FDM(正交频分多路复用),没有保护带并子带之间相互重叠。同样的干线可以承载更多的用户。被广泛使用于802.11、有线电视网络等。

波分多路复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)

本质和FDM一样,在光纤上复用信号,按照不用的波长干线被分为了若干份,承载不同用户的光信号,到了重点,分离器在分离出不同波长的光信号,当相邻波长非常接近的时候,子信道的数目非常大

WDM变成了DWDM(Dense,密集波多路复用)

时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing)

在时间上共享信道,将时间划分为非常短的时间片,每个用户在属于自己的时间片内使用整个带宽,广泛用于电话系统和蜂窝系统。TDM要求时间上必须同步为了适应时钟的微小变化可能要求增加保护时间间隔,如果各用户需要的带宽不均衡,而TDM用户时间片的使用是一样的,将造成浪费,不高效

统计时分多路复用技术(TDMStatistic TDM)(STDM)

可以动态的分配信道,不使用信道的用户不分配,分给需要使用的用户,利用率可以提高2~4倍(按需分配),实现非常复杂,通常只在高速远程通信中使用,如ATM,不适用于用户平均使用信道的情况。

码分多路复用技术(Code Division Multiple Access)(CDMA)

它是一种拓展频谱(拓频)技术,CDMA允许每个站利用整个频段发送信号,而且没有任何时间限制。CDMA的关键在于能够提取需要的信号同时拒绝所有其它的信号并把这些信号当作噪声。

在CDMA中,每个比特时间被细分成m个更短的时间间隔,这更短的时间间隔被称为码片。

通常每个比特被分为64或128个

实例:

《计算机网络笔记  —— 物理层 2》

在干线的起点会将这三个信号进行叠加

在复用段复用后的信号S被叠加在一起(0, -2, +2, 0)

码片序列是正交的,能够同时传输,广泛应用于3G网通信

1.2 调制技术

调至机制使用信号来传输比特,有两种方法

  • Baseband Transmission(基带传输)
    • 信号的传输占据传输介质,从零到最大值之间的全部频率

    • 直接将数据比特转换为信号(比如:高电压表示1,低电压表示0)

    • 一般会采用线路编码(Line codes)

      发送symbols(样本、符号),一个样本可传送1个或多个比特

      几种编码方式

      《计算机网络笔记  —— 物理层 2》

      1. 不归零NRZ

        高电平表示 “1”, 低电平表示 “0”

        随着时间漂移的累计接收方无法分辨出几个“1”或“0”

      2. 不归零逆转NRZI

        在比特时间中间做电压的跳变表示“1”,无跳变表示“0”,很好的解决了连续为“1”的问题,但是没有解决连续为“0”的情况,在USB中采用

      3. 曼切斯特编码

        在比特时间中间,电压从高跳变到低,表示“1”,反之从低跳变到高,表示“0”,在经典的10Base以太网中采用,由于在比特时间中间进行跳变,编码效率只有50%

      4. 双极编码(交替标记逆转AMI)

        两级电压的交替出现表示“1”,不出现表示“0”,实现了信号的平衡

      5. 4B/5B编码

        4比特数据被映射为1个5比特模型(抛开连续0的组合,解决连续零问题),相比曼切斯特编码,效率提高到80%

  • Passband Transmission(通带传输)

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    • 通过调节信号的振幅、相位或频率来传输比特
    • 特点:信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带

    在一个信道上发送信息所使用的频率范围,并不是从零开始的,而是在某个频段上通过调节信号的振幅、相位或频率来传输比特

QAM-16

QAM – 正交振幅调制

16 – 调制方式中有16种不同振幅和相位的信号组合模式,意味着一个符号可以传输4个比特

码元

承载信息量的基本信号单位,在数字通信种常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字

波特率(码率)

一秒钟能够发送的码元个数,代表每秒钟信号变化的次数

波特率和比特率

$C=B*log_2n$

  • C:比特率
  • B:波特率
  • n:信号呈现的个数,为2的整数倍(有例外)

1.5 物理层设备

  • 被动(无源)部件/设备
    • 如:接线板,插座,缠头,电源,电缆等
    • RJ45的插座和水晶头
  • 主动部件/设备
    • 如:转发器, 中继器, 集线器

    • 收发器(Transcevier = Transmitter + Receiver)

      也叫做MAU(Media Attachment Unit)

      主要功能为:将一种形式的信号转变为另一种形式的信号,在早期是一个外部设备,现在是网卡上的部件,主要负责收发信号

    • 中继器(Reapter)

      中继器是物理层上的一个有源设备,有两个端口,主要功能是再生信号(去噪、放大),可以让线缆延伸的更远,突破UTP100米的传输距离限制

      • 注意: 中继器不可以过滤流量,过滤是指设备以一定的特征来屏蔽网络流量,并根据标准确定将流量转发或丢弃
    • 集线器(Hub)

      多端口的中继器,功能和中继器一样,再生信号(信号去噪、信号放大),集线器上的多端口,允许多个设备连接上来

      广播(泛洪):从除了来的端口外的其它所有端口转发出去

物理层总结

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