物理层

 

物理层

1、物理层的作用

    用ISO/OSI的术语讲，物理层的作用就是给其服务用户（DL或DL实体）提供在一条物理传输介质上传送和接收比特流的能力

注意：

物理层不是指具体的传输介质（媒体）

物理层不包括传输介质，只是使用传输介质

2、物理层的设计

    在物理层设计中，必须解决的问题是：

如何使用传输介质

如何保证一端接收的比特就是另一端所发送的比特（即位同步）

具体问题包括：

“0”和“1”用何种、以及多少电压表示？

每一个比特持续多长时间？

连接传输介质的接口的形状、引脚数、排列、用途、关系等

如何建立和释放连接？

3、数据通信基础

3.1、信道带宽

信息的最小单位是“比特”（bit），可能的取值是“0”或“1”。

需要利用电压或电流对其进行编码，使之能在传输介质上传输

信道：一般用来表示向某一方向传输信息的媒体，一条电路上往往包含一条发送信道和一条接收信道

带宽：通信信道允许通过的信号频率的范围，体现为传输信道的最高频率和最低频率之差，单位是赫兹（Hz）。标准电话话路300-3400Hz（3100Hz），理想：2400Hz

信道的带宽：在信道上传输的电压或电流可以表示成时间t的单值函数f(t)，根据付里叶(Fourier)分析，任何正常的周期为T的函数都能表示为无限多个正弦和余弦函数之和。一个信道要能正确地传输某一信号，自然要求对该信号的所有分量都能正确传输

码元速率(baud波特)：每秒钟信号变化的次数，指每秒钟传送的码元数

信息速率(bps位/秒)：指每秒钟传送的位（比特）数

3.2、数据编码

    计算机处理二进制数据，模拟信号和数据信号都可以用来表示二进制数据

数据编码需要解决的问题：改变信号表示并正确传输二进制数据

（1）用数字信号表示数字数据

不归零制(NRZ, Non-Return to Zero)

反向不归零制(NRZI, Non-Return to Zero, Invert on ones)

曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

4B/5B，8B/10B，8B/6T编码等

（2）用模拟信号表示数字数据

幅移键控法 (ASK—Amplitude Shift Keying, or Amplitude modulation)

频移键控法 (FSK—Frequency Shift Keying, or Frequency modulation)

相移键控法 (PSK—Phase Shift Keying, or Phase modulation)

3.3、通信线路的连接方式

（1）点对点连接：通常采用点-点传输技术，主计算机和终端直接连接，主计算机和主计算机之间直接连接，星形、环形等属于点-点连接方式

（2）多点连接：一条线路连接两个以上的站点，通常采用广播传输技术，总线形属于多点连接方式

3.4、线路通信方式

根据数据在某一时间信息的传输方向和特点，线路通信方式可分为：单工通信，半双工通信，全双工通信

3.5、多路复用

    多路复用技术：把多路信号同时放到一条物理主干信道上，允许多台设备共享一条信道，从而提高信道的使用效率

目前普遍使用的有以下三种：

频分多路复用（FDM）

时分多路复用（TDM）

波分多路复用（WDM）

3.5.1、频分多路复用

    将信道的有效带宽划分成若干频段，每个频段作为一个独立的信道分别分配给用户形成数据传输子通道——逻辑信道

每个用户终端的数据通过专门分配给它的子通路传输，在该用户没有数据传输时，别的用户也不能使用

3.5.2、时分多路复用

在TDM中，用户轮流（分时）使用整个信道，并且可以全部由数字电路完成，但它只适用于数字数据的传输

TDM将物理信道的使用时间划分成若干时间片（时隙），每个用户在分配给自己的时间片内进行传输

时隙的分配

固定分配：同步时分多路复用（STDM），例如PCM系统

动态分配：异步时分多路复用（ATDM），例如ATM系统

3.5.3、波分多路复用

在光纤信道上采用WDM，WDM是频分多路复用的一个变种

3.6、基带传输与宽带传输

基带传输：以信号的固有频率（未经过调制）进行的传输。数据转换为信号时，这个原始信号所固有的频带称为基带，这样的信号称为基带信号。基带信号容易发生畸变，因此传输距离有限。LAN主要采用基带传输。在基带传输中，不能使用频分多路复用器

宽带传输：对信号进行调制，然后进行的传输。可以实现信道的频分多路复用，提高信道的利用率

4、传输介质

    物理层可以使用不同的传输介质把原始比特流从一台机器传到另一台机器

传输介质一般可以分为两类：有界的，例如铜线，光纤等；无界的，例如无线电波，激光等

4.1、双绞线

    特点：两条绝缘铜线（直径1mm）相互绞合，以减少临近线对的干扰

分为两类：无屏蔽双绞线(UTP)、屏蔽双绞线(STP)

4.2、同轴电缆

特点：由铜线芯、绝缘层、外导体屏蔽层和塑料保护外层构成

5、模拟传输

    在电话系统中，一条标准话路的频率范围为300~3400Hz，典型的工作带宽为3000Hz，不合适高速数据通信

在利用模拟电话网实现计算机通信时，需要MODEM，实现数字/模拟和模拟/数字信号之间的转换

5.1、计算机与Moden接口

    计算机或终端与MODEM的接口是一个典型的物理层协议，最著名的标准是EIA的RS-232C和RS-449

5.2、Moden

数字/模拟信号的转换可以单独或组合使用前面介绍的ASK、FSK、PSK方法

为了获得更高的数据传输速率，需要使用更为复杂的多元调制技术。

6、数字传输

为了在主干中继线路上高质量地传输更多的话路，许多先进国家将传统的模拟传输干线更换成数字传输干线，并大量使用光纤。显然，数字线路更适合传输数字数据，但用户线路仍然大量使用模拟线路

使用数字传输系统模拟信号，需要解决以下问题：

模拟信号采样：以什么频率进行采样

采样值量化：用多少或哪些值表示样本

编码：使用多少二进制位，如何编码以表示每个量化值

6.1、脉码调制（PCM）

    现代数字传输系统基本都采用脉码调制PCM(Pulse Code Modulation)，并与时分复用技术结合使用

目前有两个不兼容的PCM国际标准

北美，日本的T1标准——24路PCM

欧洲的E1标准—————30路PCM

7、物理层协议

物理层的任务：以适合的方式对数据进行编码，利用各种通信方式，在各种不同的通信信道上传输原始比特流

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输介质接口的一些特性：

机械特性：接口所使用的连接器的形状、尺寸、引脚数、排列等

电气特性：规定线路的连接方式、适用元件、传送速率、信号电平、电缆长度和阻抗等

功能特性：反映接口电路的功能，即接口中各条信号线的用途；接口线类型：数据/控制/定时/接地；接口线命名

规程特性：进行位流传输的过程及事件发生的可能次序

ISO、CCITT、IEEE和EIA均为物理层制订标准和建议

7.1、DCE和DTE

    当把构成数据通信网络的元素分为提供服务的通信网和使用通信网的用户来考虑时，将前者称为DCE，后者称为DTE

DCE：数据电路端接设备（Data Circuit-terminating Equipment），在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能，负责建立、保持和释放数据链路的连接。MODEM是一种常用DCE

DTE：数据终端设备（Data Terminal Equipment），具有一定数据处理能力，以及发送和接收数据能力的设备。计算机、终端等是常用DTE

7.2、EIA RS-232C

机械特性：使用25根引脚的DB-25插头座

电气特性：与CCITT的V.28建议书一致。逻辑0：+3V或更高的电压，逻辑1：-3V或更低的电压。当连接电缆线的长度不超过15m时，允许数据传输速率不超过20kb/s

功能特性：与CCITT V.24建议书一致。它规定了什么电路应该连接到25根引脚中的哪一根以及该引脚的作用

规程特性：规定了在DTE与DCE之间所发生的事件的合法序列