计算机网络(四)——物理层

物理层

概述

物理层是指通过传输介质,以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路。

主要功能

  • 构建数据通路:可以是一段或多段物理介质构造一条完整的数据传输通道;
  • 透明传输:让进行网络通信的各方不用管数据通路中具体的传输介质类型、相关标准以及通信协议的功能;
  • 传输数据:把数据按比特流的顺序从发送端通过物理层接口传送到接收端的物理层
  • 数据编码:为了确保数据比特流能在对应的信道中正常通过,需要对数据编码。不同的传输介质所支持的数据编码类型不一样(如归零码、非归零码、曼彻斯特码、差分曼彻斯特码等)
  • 数据传输管理:物理层具有一定的数据传输管理功能,如基于比特流的数据传输流量控制、差错控制、物理线路的激活和释放等

特性

  • 机械特性:定义了传输介质接线器、物理接口的形状和尺寸、引线数目和排列顺序以及连接器与接口之间的固定和锁定装置
  • 电气特性:规定了在物理连接上传输二进制比特流时线路上信号电压的高低,阻抗匹配情况以及传输速率和传输距离限制等参数属性。发送器/接收器处理的信号电平有三类:非平衡型、差分接收器的非平衡型和平衡型。
    • 差分传输是指两个在两根线上同幅、反相、同步传输。非差分传输是指一路信号只在一根导线上传输,即单线传输。因非差分传输没有与之等幅、反相的信号线,所容易受到外界信号的干扰,而且为尽量降低线间串扰对有用信息的影响,所以允许的传输距离与速率也较小。
    • 非平衡:传输模式则只用一根导线(除地线外)进行非差分信号的传输,信号电平仅由一根信号线上的电平决定。
    • 新的非平衡型:又称差分接收器的非平衡型。即发送器采用非平衡工作方式(单线驱动);接收器采用差分工作方式(双端输入),接收器最终信号由这两条线的差值(进行减法运算),所又叫差分接收器。这样干扰和串扰就会以相同振幅、相反相位叠加在这两条输入线上。-FA9C0573-D276-44A4-A473-7A2E1F688BA8
  • 平衡:此传输模式都是采用一对线(除地线之外)进行差分信号传输的,信号电平由两根线上的电平差决定。 目前最广泛采用的一种物理层接口,发送器采用双线平衡发送方式,接收器采用差分处理方式,也不共用地线。这种方式有较高的抗干扰能力,所以传输速率和距离都较高。
  • 功能特性:是指传输介质中各条线上所出现的某一电平的含义,以及物理接口各条信号给的用途,包括其功能规定和功能分类。接口信号线功能一般可分为数据信号线、控制信号线、定时信号线和接地线等四类。
  • 规程特性:指接口传输比特流的全过程及各项用于传输的事件发生的合法顺序,包括事件的执行顺序和数据传输方式。即在物理连接建立、维持和交换信息时,DTE/DCE双方在各自电路上的动作序列

数据通信基础

通信子网与资源子网

  • 资源子网是由计算机系统、终端系统、联网的外围设备、各种软件资源与信息资源组成。资源子网拥有所有的共享资源及所有的数据。
  • 通信子网负责网络通信线路建立和通信处理,为网络用户提供数据传输、转发、加工和转换等通信处理工作,是整个网络数据通信的基础结构。通信子网又可分为点对点通信线路的通信子网广播信道的通信子网两类。广域网主要采用点到点通信线路,局域网与城域网一般采用广播信道。因技术差异在物理层和数据链路层协议上出现了两个分支:一个是基于点到点通信线路的,另一个是基于广播信道的。

数据通信基本模型

  • 数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信。计算机网络数据通信模型中涉及两个实体(源系统/目的系统)和一个通信信道(存储系统)
    • 源系统是发送信号的一端,即发送方。包括:源站点:要传输的数据的计算机和或服务器等终端设备。发送器:对要传输的数据进行编码或调制的设备。如各种调制解调器/网卡。
    • 传输系统是计算机网络上的数据传输通道,除源系统和目的系统外,网络中的其他部分都属于传输系统,包括物理层传输介质和相关协议建立的通信链路,以及节点设备,如线路上的交换机、路由器等设备。
    • 目的系统就是接收发送端所发送信号的一端,即接收端。包括:目的站点从接收器获取从发送端发来的数据的计算机或服务器等。接收器接受从发送端发来的信息,并把它们转换为能背目的站点设备识别和处理的信息。也如各种调制解调器/网卡。

数据通信基本概念

  • 信息是计算机网络中进行交换的一切原始内容的统称,可以是一串串的数字也可以是各种文字,还可以是多媒体的图形图像和语音。
  • 数据是信息的具体表现形式(任何要交换的信息最终都是要以一个个具体的数据来传输),是许多信息通过某种方式组成的集合体。数据有模拟数据和数字数据之分。
  • 信号是数据在传输过程中电信号和光信号的表示形式。因数据有模拟数据和数字数据两种类型,所以信号也有模拟信号和数字信号两种。
  • 信道是通信双方物理链路(包括有线物理介质上的链路和无线介质上的链路)上通过物理层协议建立起来的数据传输通道。

数据传输类型

  • 基带是指信源发出的,没有经过调制(进行频谱搬移和变换)的原始电信号所固有的频带(频率带宽),也称为基本频带。频带是指对基带信号调制后所占用的频率带宽(一个信号所有的最高的频率到最低频率之差)。
  • 基带信号是指信源发出的没有经过调制的原始电信号。基带信号频率较低,信号频谱是从零频率的直流成分开始的。频带信号指经过调制后的基带信号。频带信息被限制在一个特定的频带中。基带(频带)信号分为数字基带(频带)信号和模拟基带(频带)信号。
  • 基带传输是指在信道中直接传输基带信号。频带传输是指在信道中传输频带信号。
    • 基带传输由于不调制,所以整个信道只传输一种信号,通信信道利用率低。在基带传输中需要在信源端用编码器对数字信号进行编码,在信宿端用解码器对编码的数据进行解码恢复。近距离传输信号衰减不大一般采用基带传输,大多数的局域网使用基带传输,如以太网、信息环网等。
    • 频带传输广泛应用于广域网中。在这种网络通信中往往需要同时发送多种信号(如数据信号、路由信号以及各种网络控制信号)。这时可以利用高频率的信号来调制低频率信号,以实现同步传输,也提高了信道利用率。
  • 基带传输系统频带传输系统
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数据传输方式

  • 串行传输:指的是数据以串行方式一位位地在一条信道上传输。串行传输的典型代表有:计算机串行接口(对应RS-232C标准)、USB接口、SATA(串行ATA)磁盘接口等。
  • 并行传输:指的是数据以一组或整个字符的方式在多条并行信道上同时传输。并行传输必须有并行信道,一般适用于计算机和其他高速数据系统的近距离传输。典型代表有:计算机上连接打印机的并口、磁盘ATA(或IDE)接口以及计算机主板上CPU与其他芯片的数据传输。

数据传输模式

  • 字符串同步:在串行传输模式中,接收端需要从串行数据比特流中正确的划分出发送的一个个字符,就需要识别信息的开始和结束,并且知道每一位的持续时间,才能从传输线路上正确的取出被传送的数据。所以在串行传输模式中就有字符同步的方式,分同步传输异步传输两种方式。在并行传输模式中因不涉及同步问题,所以无字符同步问题。
    • 同步传输是一种以数据块为传输单位(通常是一帧为单位的),一相同的时钟参考进行数据传输模式,又称为区块传输。在此模式下,每一比特数据的持续传输时间都是相等的,而且在每个字符的传输过程中,两个字符间传输所需等待的时间也是相同的。同步传输分为面向字符的同步传输,面向比特的同步传输和面向字节的同步传输等几种。
    • 异步传输是以字符为单位进行数据传输的。通信双方没有相同的时间参考,每个字符之间是异步的,但一个字符内的每一位还是同步的。每个字符都需要加入「起」「止」码元以及奇偶校验位3个控制位,所传输效率只有70%。

数据通信方式

  • 单工通信是指永远只能往一个方向发送数据信号,只能向一个方向传输,任何时候都不能改变信号的传输方向,数据发送方和接受方都是固定的。
  • 半双工通信是指信号可以双向传递,但必须是交替进行的,同一时间只能向同一个方向传送。
  • 全双工通信是指信号在任何时刻都可以同时双向传递,而且不部影响。它要求至少存在两条信道。
  • 注意点:如果通信双方的端口工作模式设置不一致时,则会出现不能成功连接或最终以选择最低要求的工作模式进行通信。

数据传输速率与信道带宽

数据传输率是指在一条信道中单位时间内传输的信息调。数据传输速率可用比特率(针对数字数据)和波特率(针对模拟数据)来表示。

  • 比特率又称信息传输速率是指单位时间内传输的二进制代码的有效位比特数用Rb表示。[ Rb = 1/T(b/s) ]
  • 波特率是指数字信号在调制后对载波的调制速率,也即单位时间内载波参数(如频率相位等)变化的次数,单位为B(Baud),用RB表示。一个数字脉冲(X进制位)称为一个码元。波特率也可以理解为在单位时间内传输的码元数。这里的码元可以是二进制也可以是多进制。
  • 比特率与波特率的关系,对于数字数据比特率与波特率的关系与数据所采用的进制有关。因为每个码元或符号通常都含有一定比特数的信息量,所以比特率与波特率的关系见下图。

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  • 传输带宽:带宽是指信道中每秒传输的最大信息量,也就是一个信道的最大数据传输速率,单位是位/秒(b/s或bps)。带宽是一种理想状态(不受任何干扰,没有任何衰减)。

数字信号不失真传输
的最大传输速率限制

  • 码间干扰概念:由于没有被调制的原始基带数字信号的频带可以非常宽(从直流一直到无限高的频率),但数据通信中的电缆传输信道只允许比较低的频率成分通过理想低通信道,高频成分被滤去,就造成了输出波形的失真。失真的输出波形顶部边圆底部变宽(称为波形拖尾),使得一个码元的波形展宽到了其他码元位置而影响到其他码元,这种影响就称为码间干扰。
  • 奈奎斯特准则:描述了有限带宽、无噪声信道的最大数据传输速率与信道带宽的关系。指的是信道中的数据传输速率必须限制在某个范围之内才能保证不失真。实验证明在理想低通信道下的最高码元传输速率(无码间干扰的最高波特率)必须满足:最高码元传输速率(MaxRB) = 2W ,式中W是理想低通信道带宽,单位为赫(Hz),MaxRB为最高码元传输速率,单位为Raud(波特)。如低通信道带宽为2000Hz时,最高码元传输速率就为4000 Baud,即每秒传送4000个二进制码元。反过来,根据最大码元传输速率也可算出信道带宽。在理想带通矩形信道下的最高码元传输速率与信道带宽是具有相等值关系的。
  • 香农公式:香农描述了有限信道带宽、有随机热噪声信道(更接近真实环境)的最大传输速率与信道带宽、信噪比(信号平均功率与噪声功率之比)之间的关系。如下:Rmax = B x log₂(1+S/N),式中最大数据传输速率Rmax的单位为bps,信道带宽B的单位为Hz,信噪比S/N通常用dB(分贝)表示,可用 10xlog₁₀(S/N) 公式来计算信噪比的分贝数。基已知S/N=1000,则根据公式可很快得出分贝数表示的信噪比为30dn。如果再已知信道带宽 B=3000Hz,则Rmax≈30kbps。它表示对于带宽只有3000Hz的通信信道,信噪比在30dB时,无论数据采用二进制或更多的离散电平值表示都不能越过30kbps的数据传输速率。

模拟信号不失真还原
的最小采样频率限制

  • 为了确保信号不失真的恢复,最低的采样率(采样率(fᵩ)采样间隔T的倒数1/T,单位为样本/秒,即赫Hz)需满足时域采样定理
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数字基带信息编码

数字基带传输模式中传输的信号是要经过编码的原始数字信号。数字基带信号的类型有矩形脉冲、三角波、高斯脉冲和余玄脉冲等。

矩形脉冲数字信号基本波形

  • 单极性波形和双极性波形
    • 单极性波形就是波形中仅用正电平值来表示二进制信号中的二进制的1,零平台表示信号中的二进制的0。对应电平信号是1还是0(也就是通常所说的判决电平),以信号电平的矩形脉冲幅度(即信号波的振幅)的1/2为基准,信号电平的电平值大于或等于振幅的1/2时就用1表示,小于振幅的1/2就用0表示;
    • 双极性是分别用正和负电平表示信号中的二进制1和0,而且正负脉冲幅度一样。此时决定电平为零,电平信号电平值大于0时用1表示;信号电平值小于0时用0表示。
    • 这两种波形是在一个码元范围内来说明。所以这种波形存在一个码元难以识别的问题,就是当连续发送1码或0码时,就会使得某一位码元与下一个码元之间没有间隙,很容易使接收方误认为对应的信号电平是稳定的直流电平,所以数据通信一般不是直接采用这种原始的波形来进行传输,而是采用归零码这种编码方式,而这种不重新编码的波形称为非归零码
  • 归零码与非归零码
    • 归零码:归零是指信号电平在一个码元宽度内(通常是在1/2码元时)信号脉冲电平必须回归为零电平(也就是无电流),直到该码元宽度结束。非归零码:就是不对脉冲信号进行任何编码。当单极性的归零码在连续几个码元都是零电平时会出现连续的零电平,在这种情况下就比较难以区分连续的零码元之间的界限。

数字基带信号的传输码型

  • 传输码的由来:当信息代码中包含有长串的连续1或0时,非归零波形呈现出连续的固定电平,会出现无法获取同步的问题。单极性非归零码在传输连续0信息代码时也会存在同样的问题。因此信息再进行传输之前须经过码型变换,变换为适用于信道传输的码型,这就是通常所说的传输码,也称线路码或信道编码。
  • 传输码型的选择原则
    • 1.要含有时钟频率分量(不能出现0电平),且编码转换后不能出现过多的连续0或1码,否则提取时钟信号会不稳定,从而引起同步偏移;
    • 2.要无直流分量、低频成分少,否则影响信号在信道中的传输;
    • 3.高频分量要尽量少,以节省传输频带并减少码间串扰;
  • 常见的传输码型:传号反转交替吗(AMI码)、三阶高密度双极性码(HDB3码)、传号反转码(CMI码)、数字双相码(曼彻斯特码)和差分曼彻斯特码。
    • AMI码:是对单极性非归零码的变形(也称非归零AMI),其编码规则:是将单极性非归零码的二进制信号代码中的1码元交替地替换为正/负电平,而0码元保持不变。
      • 优点:由于1码元采用了正负电平交替,所以AMI码的有信号部分的频谱中不含直流成分,高频和低频成分也很少;AMI码的编译码电路简单,便于利用传号极性交替规律观察误码情况。
        缺点:当二进制信号出现连续的0码时,信号电平会长时间不变,造成提取定时信号困难。
    • HDB3码:利用AMI码的优点,克服其缺点。其编码规则:先把基带数字信号代码换成AMI码,然后检查AMI码中出现连续0码元的情况。如果连续0码的个数不超过3个,则这时的HDB3码就是原来的AMI码;如果连续4个或4个以上的0码元时,则将每4个连续的零码元的第4个0转换成非0脉冲,记为+V或-V,称为V码,也称为破坏脉冲。原来信号码元序列中所有1码元称为信码,用符号B表示。V码是+V还是-V取决于两个原则:1.V码必须与前一个信码相同;2.相邻微码的极性必须相反;-
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  • CMI码:是一种双极性二电平非归零码,又称为1B2B码(即一位信息码用二位表示)。二电平指的是一个码用两个电平来表示。其编码规则:把基带数字中的1码交替用正、负电平表示(如果前一个1码用正电平,则后一个1码用负电平),但得到的CMI码对应为”11”和”00”(两者交替出现,两个电平各占半个码元宽度);0码固定用1/2码元宽度的负电平和1/2码元宽度的正电平表示。简单说就是:当传送一个0码时编码固定输出01,当传送一个1码时,编码后交替输出11或者00码。
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  • 曼彻斯特码:也是一种双极性二电平非归零编码。其编码规则是:每个原始信号码元固定用两个连续极性相反的脉冲来表示,1码用正、负电平表示(也就是先正后负,对应的编码为10),0码用负、正电平表示(也就是先负后正,对应的编码为01)。其关键特点就是在每个码元的1/2码元位置必须进行极性跳变。优点:无直流分量,容易实现同步,编译码电路简单。
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  • 差分曼彻斯特码:当极性反转时曼彻斯特码会引起译码错误,而差分曼彻斯特码就是为解决此问题也衍生的。其编码规则是:对于二进制信号中的第一个码元与曼彻斯特的转换方式一样,都是在1/2码元时进行电平极性跳变,即把0码转换成01码,把1码转换成10码;后面的信号码就根据以下两条规则跳变:如果本码为1,开始处的电平不跳变;如果本码为0,开始处的电平必须跳变。
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信号的调制与解调

调制与解调的概念

  • 对数字信号的调制主要有调幅、调频、调相三种调制技术,他们分别对应:ASK(幅度键控),FSK(频率键控),PSK(相位键控)。之所以要经过调制过程,是为了便于低频信号在信道中的远距离、高效传输。
  • 调制是让基带信号去控制载波的某个(或某些)参数,使该参数按照信息的规律进行变化,这就是调制的过程。调制通俗的解释是用一种能量大的信号承载另一种能量小的信号进行传播、传输。承载另一种信号的信号称为载波或者波信号,而被承载信号才是我们真正想要传播或传输的信号。
  • 调制信号就是用对载波信号中某各参数进行特性控制使其按照自己的对应参数特性变化的信号,以便在接收端可以根据这个被控制的特性还原出原始的调制信号。调制信号通常是低频信号,可以是模拟信号,也可以数字信号。
  • 载波信号是用来载送有用低平调制信号的信号波,通常是一种高频信号。
  • 已调信号是载波信号在被调制信号调制后所产生的新信号,它同时具备的原来调制信号和载波信号的双重特性。
  • 解调是调制逆过程,即从调制后的信号中恢复原来的调制信号的过程。

ASK调制与解调

  • ASK(幅度键控)是一种数字幅度调制技术,是指正弦载波的幅度随数字基带信号变化而变化的数字调制。又称通断键控ASK或开关键控。当数字基带信号为二进制码时。称为二进制振幅键控(2ASK)。但它仅适用于单极性数字信号。它是利用代表数字信息0或1的基带矩形脉冲去键控一个连续的载波,使载波时断时续的输出。即源数字基带信号为1时,发出载波信号;源数字基带信号为0时,发送零电平,也就是不发送载波信号。
  • 解调分为非相干解调(包络检波法)和相干解调(同步检测法)。相干解调是指利用乘法器,输入一路与载波相干(同频同相)的参考信号,然后再与载波相乘,最终得到解调信号。这种方法常用于线性调制信号(如ASK和PSK)
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FSK调制与解调

  • FSK(频率键控)是用数字基带信号去控制载波的频率特性来传送信息的一种调制方式,但它仅适用于双极性数字信号。他把信号的振幅、相位作为常量,而把频率作为变量,通过频率的变化来实现信号的识别。如数字信号1码用频率的f1载波来传送,0码用频率f2的载波来传送,相当于载波在两种不同频率之间进行切换,故称频移健控。
  • 2FSK信号的解调方法有很多,如鉴频法,过零检测法,非相干解调法(又称滤波检测法)和相干解调法(又称差分检波法)。过零检测法通过是单位时间内信号经过零点的次数多少来衡量频率的高低的。

PSK调制与解调

  • PSK(相位键控)利用双极性数字基带信号对载波相位进行控制来传送信息的一种调制方式。也就是用载波的不同相位来表示信号的信码。两个频率相同的波,同时开始震荡,同时到达正最大值,同时到达零值,同时到达负最大值,此时他们就处于同相状态;如果一个到达正最大值时,另一个到达负最大值时,则称反相。一般把信号振荡一次(一周)作为360度,如果一个波比另外一个波相差半个周期,就说这两个波的相位差180度,也就是反向。因此数字调相就是让载波在两种相位间切换,又称相位键控。

物理层传输介质

导向性传输介质

  • 导向性传输介质就是信号被固定沿着信息的一个或多个方向进行传输的介质,特指有线计算机网络中所使用的传输介质,如双绞线、同轴电缆和光纤等。
  • 光纤又称光导纤维,是用石英玻璃、塑料或晶体等对某个波长范围透明的材料制造的能传输光的纤维。
  • 光纤
    • 光纤按传输模式划分
      • 单模光纤是一种只用来传输一种模式光(但可以含有多种波长的光)的光纤。在单模光纤中所传输的光照射纤芯的角度和从包层反射的角度是一样的,并且是没有反射的,只有直射。
      • 多模光纤是可以一根光纤上同时传输几种模式的光信号的光纤,这些光照射纤芯的角度和从包层反射的角度都不一样。
    • 光纤按纤芯直径划分有:缓变型多模光纤(50/125um)、缓变增强多模光纤(62.5/125um)、缓变型单模光纤(8.3/125um)
    • 光纤按纤芯折射率划分有:阶跃型光纤、渐变型光纤、单模环形光纤、单模W形光纤、单模三角型光纤、单模椭圆型光纤
      • 阶跃型光纤又称突变型光纤,目前单模光纤多属此类。这种光纤纤芯的折射率与包层的折射率成阶跃型分页。特点是芯的折射率是均匀的,在芯与包层之间的分界面上,折射率有一个不连续阶跃性突变。光线以曲折形状传播,信号畸变大。
      • 渐变型光纤又称梯度光纤。特点是纤芯中心的折射率最大,沿径向往外逐步变小,形成一个连续渐变的梯度或坡度,最后达到包层的折射率。光线以正弦形状传播,信号畸变小。
    • 按光纤的组成材料划分有:石英玻璃光纤、多组分玻璃光纤、硅酸盐光纤、氟化物光纤、塑料包层玻璃光纤、全塑光纤、液芯光纤、测光光纤、尾光光纤、工业光纤等
    • 按光纤的组成材料划分有:紧套光纤、松套光纤
  • 光纤结构及主要附件有:光纤模块、光纤连接器、ST连接器、SC连接器、FC连接器、LC连接器
    • 光纤模块
    • 光纤连接器
    • ST连接器
    • SC连接器
    • FC连接器
    • LC连接器

非导向性传输介质

  • 短波无线传输
  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信

信道多路复用技术

频分复用(FDM):是把一条高带宽的信道按照一定的频带宽度划分成若干个低带的子频带(或称子信道),以实现同一时刻通过不同频率的载波调制技术在信道中传输多路基带信息的目的。除了FDM还有一种正交频分复用(OFDM),是一种多载波调制。

时分复用(TDM):是出于单用户数据传输过程中不可能总有数据传输,通信过程中存在无数据传输的空闲时段而考虑的。是把整个数据通信过程划分成一个个小的时间段(又称时间片),在这些时间片中又划分成多个更小的时间间隙(又称时隙),每个时隙可以用于一个用户信号的传输。

波分复用(WDM):是光信号中的频分复用技术,又称光波分复用,是在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术。特点:1.灵活增加光纤传输容量;2.同时传输多路信号;3.成本低、维护方便;4.可靠性高,应用广泛

码分复用(CDM):是用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号。采用同一波长的扩频序列,频谱资源利用率高,与WDM结合,可以大大增加系统容量。是靠不同的编码来区分各路原始信号的一种复用方式,主要和各种多址技术结合产生了各种接入技术,包括无线和有线接入。

  • CDMA(Code Division Multiple Access)把每一个比特时间再划分为m个短的间隔,称为码片,使用CDMA的每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。CDMA的一个重要特征是给每一个发送/接收站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交

物理层接口

串行接口标准在计算机网络数据通信中有几个常见的接口标准RS-232/RS-422/RS-485标准。

RS-232串行接口标准采取不平衡传输方式,即所谓单端通信。一个完整的RS-232接口有22根线,采用标准的25芯插头座(DB-25)。

其他EIA标准接口有EIA-422(又称RS-422)/EIA-449/EIA-485/EIA-530等

其他物理层接口还有X.21/X.24/X.36和EIA-530这四种

 


物理层知识脑图

04物理层

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