走进科学之-计算机网络物理层-硬核扫盲

学习物理层你需要知道的一些入门概念：
三言两语轻松计算机网络入门

物理层的主要任务描述为:确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

机械特性: 例接口形状，大小，引线数目
电气特性：例规定电压范围(-5V到+5V)
功能特性：例规定-5V表示0，＋5V表示1
过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

文章目录

• 走进科学之-计算机网络物理层-硬核扫盲
• 数据通信基础
• *信道复用技术
• 宽带接入技术

数据通信基础

我们典型的QQ聊天、微信聊天都是基于上述模型

• 调制解调器：发送时负责将数字比特流调制为模拟信号，接收时将模拟信号调制为数字流

以下有几个数据传输的相关术语

• 数据(data)——运送消息的实体。
• 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
• 模拟信号——代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号——代表消息的参数的取值是离散的。
• 码元(code) —— 在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元
  在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量

信道的基本概念：

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。咱们平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道

• 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
• 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)
  双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带(baseband)信号和带通(band pass)信号 ：

• 基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
• 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
• 因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式，由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的

调制解调器调制方法：

• 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
• 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
• 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

具体看下图：

常用编码：

• 单极性不归零码：只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0
• 双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等
• 单极性归零码：发送码1时高电平τ，其余时间返回零电平
• 双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息

曼彻斯特编码：

采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit
但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输

差分曼彻斯特编码：

差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码

奈氏准则：

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)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，码元的传输速率的上限值。
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

波特：

波特 在调制解调器中经常用到波特这个概念
Bit是信息量
如果一个码元含有3个Bit信息量 1波特=3Bit/s

信噪比：

香农(Shannon)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、无差错的信息传输速率
信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C = W log2(1+S/N) b/s
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
S 为信道内所传信号的平均功率；
N 为信道内部的高斯噪声功率。

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限
实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

奈氏准则和香浓公式的应用范围:

*信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念

频分复用：

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带
频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

不同波通过调制解调器，形成不同频率的模拟信号，最终汇总进行复用

接收端通过过滤器，将汇总的波按不同频率解调还原为各自的波

时分复用：

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧），每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度对应的时间）
TDM 信号也称为等时(isochronous)信号
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度

通过时间片轮转，可以实现时分复用：

时分复用可能会造成线路资源的浪费：

使用时分复用系统传送计算机数据时，
由于计算机数据的突发性质，用户对
分配到的子信道的利用率一般是不高的

统计时分复用：

又叫异步时分复用。提高了效率，但带来了额外的开销，因为给帧加不了同的标记

宽带接入技术

xDSL(用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造)

标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz
xDSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用

DMT技术

DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249个子信道用于下行信道。
每个子信道占据 4 kHz 带宽,并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据

光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。
HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造

光纤入户FTTx 技术

直接拉条线到你家这样