物理层

物理层的基本概念

• 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。
• 物理层的作用是要尽可能的屏蔽掉不通过传输媒体和通信手段的差异
• 用于物理层的协议也常称为物理层规程

物理层的主要任务

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口的一些特性

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列固定锁和锁定装置
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 功能特性：指明某条线上出现某一电平的电压的意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种事件的出现顺序

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

常用术语介绍：

通信的目的是传送消息，传送的消息可以是音频、文字、图像。数据就是运送这些消息的实体。信号(signal)则是数据的电气或电磁的表现。

在我幼年时，很多家庭有那种黑白电视，自带天线打开就有图像声音，那时候的电视是模拟信号，现在基本家家都由液晶电视插上机顶盒观看超清的网络电视，这个阶段采用的是数字信号。

• 模拟信号，或连续信号--代表消息的参数的取值时连续的。
• 数字信号，或离散信号--代表消息的参数的取值时离散的。

在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。 在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表 0 状态而另一种代表 1 状态。

有关信道的基本概念

信道和电路不等同。信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

我们的手机在 WiFi 上网的时候也是通过信道

上图是 WiFi 信道的选择，我们手机连接 WiFi 要通过信道来进行接收数据和发送数据，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

如果从通信的双方信息交互的方式来看，有以下三种基本方式

• 单向通信 又称单工通信 ，这是没有交互的，只有一方发送另一方接收
• 双向交替通信 又称 半双工通信，还是一个信道 一方发送一方接收，但是这个过段时间可以反过来，接收方和发送方可以互换。
• 双向同时通信 又称 全双工通信，这个就需要两条信道了，一条发送一条接收。

单向通信使用的是单行道，不可逆行，双向交替通信使用的是 单行 潮汐车道 ，双向同时通信就是双车道来去方向都有。

来自信源的信号常常称为基带信号（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于基带信号。

不过基带信号往往包含较多低频成分，甚至有些直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量后直流分量。 要解决这个问题就必须要对基带信号进行调制。

调制分类：

• 基带调制 （也有人称编码）-- 仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性想适应，变换后还是基带信号，
• 带通调制 -- 需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

常用编码方式

• 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0
• 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1.但也可以反过来定义
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1.

从信号的波形中可以看出，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。

从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法

由于许多信道并不能传输基带信号中的低频或直流 分量，为了解决这个问题，要对基带信号进行调制。

最基本的二元制调制方法有以下几种：

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

正交振幅调制 QAM（Quadrature Amplitude Modulation）

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的震幅相位混合调制方法。

例如：

• 可供选择的相位有 12 种，而对与每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有 176 种组合，即 16 个码元。
• 由于 4 bit 编码总共有 16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应一种 4 bit 的编码，数据传输速率可提高 4 倍。

不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态越困难，出错率增加。

信道的极限容量

从概念上讲 ，限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

• 信道能通过的频率范围
• 信噪比

信道能通过的频率范围

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。

1942 年，奈奎斯特就推导出著名的奈氏准则。他给出在假定的理想条件下，为了避免码间干扰，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得问题，使接收端对码元的识别成为不可能。

如果信道的频带越宽，也就是能通过 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。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。

噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。

但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

信噪比，就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。记作 S/N，并用分贝（db）作为度量单位。即：

例如，当 S/N=10 时，信噪比为 10 分贝，而当 S/N=1000 时，信噪比为 30 分贝。

1984 年，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（香农公式）。

信道的极限信息传输速率 C 可表示为：

其中 W 为信道带宽（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

香农公式表明

• 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没有上限），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

• 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输输速率也达到了上限值，那么我们还可以采用编码的方法（让每一个码元携带更多比特的信息量 ）来提高信息传输速率

物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

传输媒体可分为两大类：

• 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
• 非导引型传输媒体：（就是指自由空间），在自由空间中，电磁波的传输常称为无线传输

电信领域使用的电磁波的频谱

导引型 传输媒体

双绞线

双绞线是最常用的传输媒体。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。

双绞线也根据有无金属屏蔽层分为两大类

• 屏蔽双绞线
• 无屏蔽双绞线
  

双绞线标准

1991 年，美国电子工业协会 EIA 和电信行业协会联合发布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准 EIA/TIA - 568 .

1995 年将布线标准更新为 EIA /TIA - 568 -A

此标准规定了 5 个种类的 UTP 标准（从 1 类到 5 类）。

对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是 5 类线（Category 5 或 CAT5）

常用的绞合线的类别、带宽和典型应用

同轴电缆

看到这个名词可能有些陌生，其实它大概率你是见过并且用过的。
早些年曾经出现过闭路电视，使用的线就是同轴电缆，包括现在一些人家里使用卫星锅连接卫星锅的那根线也是同轴电缆。

同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛应用于 传输较高速率的数据。

同轴电联的带宽取决于电缆的质量。

50 Ω 同轴电缆 -- LAN/ 数字传输常用
75 Ω 同轴电缆 -- 有线电视/模拟传输层常用

光纤

光纤是光纤通信的传输媒体，由于可见光的频率非常高，约为 10^8 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。

• 多模光纤：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
• 单模光纤：若光纤的直径减少到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射。

光纤常用的三个波段的中心分别为 850 nm，1300 nm ，1550 nm。

所有这三个波段都具有 25000 ~ 30000 GHz 的带宽，可见 光纤的通信容量非常大。

光纤的优点

• 1.通信容量非常大
• 2.传输损耗小，中继距离长
• 3.抗雷电和电磁干扰性能好
• 4.无串音干扰，保密性好
• 5.体积小，重量轻

非导引型传输媒体

将自由空间称为“非导引传输媒体”。

无线传输所使用的频段很广，短波通信（也就是高频通信）主要依靠电离层的反射，但短波信道的通信质量比较差，传输速率低。

微波在空间主要是直线传播。

传统的微波通信有两种方式：

• 1.地面微波接力通信
• 2.卫星通信

无线局域网使用的 ISM 频段

要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段使可以自由使用的。例如：ISM。各国的 ISM 标准可能略有差别。

信道复用技术

复用（multiplexing）是通信技术中的基本概念。

它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率

频分复用 FDM

频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）

将整个带宽分为多份，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（注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的返送速率）。

时分复用 TDM

时分复用 TDM （Time Division Multiplexing）

时分复用则是将时间划分为一段等长的时分复用帧（TDM 帧）。
每一个时分复用的用户在每一 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的出现（其周期就是 TDM 帧的长度）的。

TDM 信号也称为等时（isochronous）信号。

时分复用的所有用户在不同时间占用同样的频带宽度。

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 STDM

统计时分复用 STDM （Statistic TDM）

波分复用 WDM

波分复用 WDM （Wavelength Division Multiplexing）

码分复用 CDM

码分复用 CDM （Code Division Multiplexing）

常用名词是 码分多址 CDMA (Code Division Multiplexing Access)

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

码片序列(chip sequence)

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片（chip）

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。

1.如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
2.如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。

1.发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
2.发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

S 站的码片序列：（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）

假定 S 站要发送信息的数据率为 b bit/s .由于每一个比特要转换成 m 个比特的码片，因此 S 站实际上发送的数据率提高到 mb bit/s ,同时 S 站所占用的频带宽度也提高到 原来数值的 m 倍。

这种通信方式是扩频（spread spectrum）通信中的一种。

扩频通信通常有两大类：

1.一种是直接序列扩频 DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum），如上面讲的使用码片就是这一类
2.另一种是跳频扩频 FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）

CMDA 的重要特点

• 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须正交（orthogonal）
• 在实用的系统中是使用伪随机码序列

码片序列的正交关系

令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量

两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和 T 的规格划内积（inner product）等于 0：

• 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格划内积都是 1。

  

• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1.

X 站接受 S 站发送数据（解扩）

把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩

• X 站必须知道 S 站的码片序列
• X 站接收到的信号是各个站发送的码片序列之和 M。
• 根据前面的公式和叠加原理，S 站的码片序列和 X 站收到数据求内积的结果是：

所有其他站的信号都被过滤掉了，只剩下 S 站发送的信号
当结果为 +1 时，发送的数据是 1
当结果为-1 时，发送的数据是 0
当结果为 0 时，没有发送数据

CDMA 的工作原理

数字传输系统

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用 FDM 的模拟传输方式。

与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上 都有明显优势。

目前，长途干线 大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。

脉码调制 PCM 体质最初是为了 在电话局之间的中继线上传送多路电话。

T1 和 E1

由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准：
1.北美的 24 路 PCM （简称 T1）
2.欧洲的 30 路 PCM（简称 E1）

我国采用的是欧洲的 E1 标准

E1 的速率是 2.048 Mbit/s,而 T1 的速率是 1.544 Mbit/s.
当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

同步光纤网 SONET

旧的数字传输系统存在许多缺点，主要就是以下俩方面：

• 速率标准不统
  如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的基于光纤高速数据传输就很难实现。

• 不是同步传输

在过去相当长时间，为了节约经费，各国的数字网主要采用准同步方式。

当数据传输速率很高的时候，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

同步光纤网 SONET（Synchronous Optical Network）的各级时钟都来自一个非常精确的准时钟。

SONET 为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构
1.对电信信号称为第 1 级同步传送信号 STS-1（Synchronous Transport Signal），其传输速率是 51.84Mbit/s
2.对光信号则称为第 1 级光载波 OC-1（OC 表示 Option Carrier）。

现已定义了从 51.84 Mbit/s（即 OC-1）一直到 9953.280Mbit/s(即 OC-192/STS-192)
ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制定出国际标准同步数字系列 SDH（Synchronous Digital Hierarchy）

一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。

其主要不同点是：SDH 的基本速率为 155.52 Mbit/s,称为第 1 级同步传递模块（Synchronous Transfer Module），即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

SONET/SDH 标准的意义

• 使不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一
• 第一次真正意义上实现了数字传输体制上的世界性标准
• 已成为公认的新一代理想的传输网体制
• SDH 标准也适用于微波和卫星传输的技术体制

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