网络类型

局域网媒介

导引型传输媒体

(非屏蔽)双绞线 / 双纽线(UTP)

• 物理本质: 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。

• 多用于电话线路

• 远距离传输时加上放大器或中继器

• 信号衰减随着频率的升高而增大, 使用更粗的导线可以降低衰减. 故导线越粗通信距离越远, 价格越高

• 屏蔽双绞线(STP): 在双绞线的外面加上金属丝编织成的屏蔽层, 能提高抗电磁干扰的能力

• 三类线缆: 直通线, 翻转线, 交叉线
• 直通线: 两端按照相同的线序排列（通常是T568A或T568B标准）用于连接不同类型的设备, 用于设备之间的正常通信, 两段线序相同
• 反转线: 也叫控制线, 是一种用于管理设备的特殊线缆，其两端的线序完全反转, 一端的第1线对应另一端的第8线，第2线对应第7线，依此类推。又称console cable, 连接终端设备（如计算机）与网络设备的控制台口（Console Port），用于配置或调试设备, 专用于管理而非通信
• 交叉线: 两段线序不同, 用于连接同类型的设备(如计算机与计算机, 交换机与交换机, 路由器与路由器), 用于特定点对点通信场景. 一端T568A（绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕），另一端T568B（橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕）。

同轴电缆(Coaxial)

• 同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成（图2-7) 。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

• 随着技术进步, 局域网领域从广泛应用同轴电缆变为基本全部使用双绞线

光缆(Fiber-Optic)

• 由千可见光的频率非常高，约为108 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

• 光源将电脉冲转换为光脉冲 → 光纤传输 → 光检测器还原出电脉冲

• 单模光纤 / 多模光纤

• 纤细的光纤加上加强芯和填充物等结构就变成结实的光缆

架空明线

• 电线杆上的铜线 / 铁线, 性能落后, 仅在农村等区域中还有使用

非导引型传输媒体

• 利用无线电波在自由空间中的传播进行通信

• 短波通信 / 高频通信:
• 主要依靠电离层反射电波
• 衰落现象, 多径效应 → 质量较差, 一般采用低速传输

• 无线电微波通信
• 在空间中主要直线传播, 不能经电离层反射回到地面
• 地球是曲面, 故无线电微波传播距离受到限制, 在50km左右
• 需要用多个中继站接力转发
• 微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息。
• 微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大。
• 因为工业干扰和天电干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波和米波（即甚高频）通信小得多，因而微波传输质擢较高。
• 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河。
• 相邻站之间必须直视（常称为视距LOS (Line Of Sight)),不能有障碍物。有时一个天线发射出的信号也会分成几条略有差别的路径到达接收天线，因而造成失真。
• 微波的传播有时也会受到恶劣气候的影响。
• 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
• 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

• 基于无线电微波通信的卫星通信
• 频带宽, 容量大, 干扰小, 比较稳定
• 具有较大的传播时延, 且与地面上起点与终点的距离无关
• 覆盖面广, 保密性差, 费用高

• 低轨道卫星通信系统

概述

• 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体. 现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么.

• 主要任务

数据通信基础

• 模拟信号 → 消息的参数的取值是连续的, 随时间变化而平稳变化的连续波形式, 周期性

• 数字信号 → 消息的参数的取值是离散的, 可能包含有限的几个预定值. 不同离散数值的基本波形称为码元. 可以被分解为无穷多个简谐波(傅里叶变换)

• 码元 → 在使用时间域(时域)的波形表示数字信号时, 代表不同离散数值的基本波形

数据通信系统模型

信道基本概念

• 信道不等同于电路, 表示向某个方向传送信息的载体(电路的功能抽象?). 一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道.

• 来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。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千基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation) 。

常用编码方式

单极性编码(只有正电平或只有负电平)

• 特点:

• 使用单一的电压水平表示数据信号。

• 通常用高电平（正电压）表示逻辑”1”，低电平或零电平表示逻辑”0”。

• 缺点是存在直流分量，且难以同步。

极化编码(正负电平都有)

• NRZ (Non-Return to Zero，非归零码):
• 信号的电平在一个比特周期内保持不变。
• NRZ-L（Level）：高电平表示逻辑”1”，低电平表示逻辑”0”。
• NRZ-I（Inverted）：信号变化表示逻辑”1”，不变表示逻辑”0”。

• RZ (Return to Zero，归零码):
• 每个比特周期内，信号返回到零电平。
• 信号持续时间只有一半，易于同步，但需要更宽的带宽。

• 双相位编码
• 曼彻斯特编码:
• 一个比特周期内信号发生一次变化，从高跳到低为0, 从低跳到高为1
• 自同步特性强，易于检测，但带宽需求较高。
• 差分曼彻斯特编码:
• 比特周期开始时有跳变表示0, 无跳变表示1
• 比特周期中间必然有一次跳变, 用于时钟同步
• 抗干扰能力较强。
• 正负电平镜像为等效表示

双极性编码

• AMI (Alternate Mark Inversion，传号交替反转码):

• “1”用交替的正负电平表示，“0”用零电平表示。

• 无直流分量，便于长距离传输。

• B8ZS (双极性8连0替换码):

• 用于避免连续零的问题。

• 在8个连续零出现时，用特定的信号模式替代这些零。

• HDB3 (3阶高密度双极性码):

• 类似B8ZS，但通过插入违规的极性来维持直流平衡。

• 用于更高密度的数据传输。

信道的极限容量与码间串扰

信道复用技术

时分与频分

GPT

频分复用（FDM, Frequency Division Multiplexing）相对于时分复用（TDM, Time Division Multiplexing）更适合传输模拟信号，原因主要有以下几点：

1. 信号特性匹配

• 模拟信号（如语音、视频）本身就是在特定频率范围内连续变化的波形，直接与频率相关。

• 频分复用通过为每个信号分配一个独立的频段，可以较自然地在频域上复用多个模拟信号，无需先将信号数字化。

2. 实时性需求

• 模拟信号（如广播和电视信号）往往要求实时传输。

• 频分复用的各个信道同时并行工作，不存在时隙分配的问题，因此延迟更低，适合对实时性要求高的模拟信号。

3. 实现复杂度

• FDM直接利用频域分离技术（如滤波器）即可实现，不需要时钟同步或复杂的时隙管理。

• 对于模拟信号的传输，FDM比TDM的硬件实现更简单，更直接。

4. TDM更适合数字信号(非周期性方波)

• 时分复用将每个信号分配到不同的时间片段，要求信号能够离散化，这对连续变化的模拟信号来说，需要额外的模数转换（ADC）。

• 虽然可以对模拟信号进行数字化处理后使用TDM，但这增加了系统的复杂性和开销。

应用实例

• 频分复用的典型应用：广播电台、电视信号传输、电话系统（早期的模拟电话线路）。

• 时分复用的典型应用：现代数字通信系统（如4G/5G）、光纤通信（时分复用帧）。

总之，频分复用更直接地适合模拟信号的传输，而时分复用更适合离散化的数字信号传输。

• 频分复用适用于传输模拟信号

• 时分复用更适合用于传输数字信号, 但是在空闲时会空转造成资源浪费

• 改进: 统计时分复用 / 异步时分复用 → 加上集中器统一维护一个缓冲区, 按需分配STDM. 缺点是无法应对所有用户均不间断发送信息的情景, 因为缓冲区都会溢出, 且要为每个STDM帧加上地址字段来标明分配给的用户

波分

• 就是在光缆传输语境下, 光的频分复用

• 使用一根光纤同时传输多个频率接近的光载波信号

• 密集波分复用

• 光复用器(合波器), 光分用器(分波器)

码分

• 可以让用户在同一时刻使用同样频带通信

• 代价是将比特变为m位码片, 传输的数据量翻m倍

• 不同码片之间满足正交关系

• 不使用某站特定的码片序列的信号都在内积中变为0滤去

• 抗干扰能力强

宽带接入技术

• 非对称数字用户线ADSL
• 数字用户线接入复用器DSLAM(DSL Access Multiplexter), 用户线, 用户家中一些设施
• 上行和下行速率不对称, 下行快于上行
• 自动根据用户线状况测试并选择可用的频率和调制方案, 以获得尽可能高的数据率, 故不能保证固定的数据率

• 甚高速数字用户线VDSL

• 光纤同轴混合网(HFC网)
• 在有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网, 将原有线电视网的同轴电缆主干部分改为光纤, 光信号在光纤节点转换为电信号
• 为让用户通过HFC网接入狐仙昂以及在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息, 还需要增加电缆调制解调器(只需安装在用户端, 需要解决多个用户共享的问题)