Chapter 4 —— 物理层

物理层的基本概念

· 物理层的作用：将数据链路层的0和1转换成位流的信号，并在物理介质上传输，为数据链路层提供服务。

· 物理层需要尽量考虑屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，为数据链路层提供透明的传送比特流的服务。

· 物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性，如多大的电压代表"1"或"0"？

数据通信的基础知识

· 数据与信号：

1. 消息（Message）：通信的目的是传送消息，如语音、文字、视频等。

2. 数据（Data）：运送消息的实体，是静态的概念。

· 为了传送消息，数据必须转换为信号，因此物理层的一个主要功能就是通过传输介质以电磁信号的形式传输数据。

· 信号：数据的电气或电磁表现，是一种编码形式，是数据的动态存在形式，传输过程中的存在形式。

· 数字信号的传输：

1. 基带信号：通过通道发送数字信号或基带信号。接收到的是来自信号源的信号。

   

2. 宽带传输：把数字信号转换为模拟信号进行传输。

   

· 基带信号的调制：

1. 为了过滤掉基带信号中某些信道无法传输的东西。

2. 基带调制：

   - 仅对基带信号的波形进行变换，让它适应信道特性，变换后的信号仍是基带信号。

   - 就是把一种数字数据转换为另一种数字信号，这个过程称为编码或线路编码。

   

3. 带通调制：

   - 使用载波把基带信号的频率范围移动到较高频段并转换为模拟信号。经过载波调制后的信号为带通信号。

   - 最基本的带通调制方法：

   

   - 为了达到更高的信息传输速率，可以使用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。

· 信道及信道的极限容量：

1. 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

2. 从信道双方信息交互的方式分：

   - 单项通信（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）：通信双方都可以发送消息，但不可以同时发送/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消息。

· 失真与码间串扰：实际的信道会存在带宽限制、噪声、干扰和失真。

· 既然有干扰存在，那如何定义传输的质量好坏呢？

· 信道数据率取决于三个因素：

1. 有效宽带（信道能通过的频率范围）

2. 使用的信号电平数（表示信号状态时使用的电平数）

3. 信道的质量

· 奈奎斯特准则：在理想条件下（无噪声信道），为了避免码间串扰，信道最大传输速率为：

从该公式中我们可以知道，提高信道带宽或增加信号电平数都可以提升传输速率。

但是信道宽带是由物理介质决定的；而提升电平数会提高接收方的负担，如区分0和1两个电平很容易，但是区分64个电平就非常复杂了，这样就减弱了系统的可靠性了。

该公式表明，码元传输的速率是有上限的，若超过这个上限则会出现码间串扰，这样接收端就无法识别码元。

而信道的频带越宽，也就是能通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高速率传送码元。

· 香农公式：给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。

· 信噪比：信号平均功率/噪声平均功率，记为S/N，以分贝（dB）为单位，计算公式如下。

· 故香农公式表明：

1. 带宽越高或信噪比越高，信息的极限传输速率越快。

2. 只要信息传输速率低于极限传输速率，就必然能找到某种办法实现无差错通信。

3. 香农公式与信号电平数无关，它只定义了信道特性而非传输方式。

· 在实际应用中，香农公式给出数据率的上限，奈奎斯特准则给出信号所需电平数。

· 其实，即使宽带确定了，信噪比无法再提高了，码元传输速率也到达极限了，还能通过编码的方式让一个码元携带更多bit的信息量来提高信息的传输速率。

信道复用技术

· 复用：本质上是共享，允许一条数据链路同时传输多个信号。

· 频分复用（Frequency Devision Multiplexing）：

1. 把一个带宽分割为多个较小的频带，每个频带用于传输一个独立信号。

2. 所有用户在相同的时间内占用不同的带宽（频率带宽）。

   

· 时分复用（Time Division Multiplexing）：

1. 把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帧占用固定序号的时间间隙。

2. 每一个用户所占用的时间间隙是周期性的出现的。

3. 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

   

4. 时分复用可能造成线路资源的浪费。

   

5. 电话线路通信使用的是时分复用技术。

· 波分复用（Wavelength Division Multiplexing）：

1. 波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

2. 密集波分复用：一根光纤上复用80路或更多路的载波信号。

   

· 码分复用（Code Division Multiple Access，CDMA）：

1. 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似白噪声，不容易被敌人发现。

2. 每一个用户在同样的时间使用同样的频率进行通信。

3. 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。

数字传输系统

· 在模拟信号转换为数字信号以方便进行传输的过程中，我们要决定用多少个二进制位来表示，以及如何把数字信号还原回模拟信号才能不失真。

· 因此，我们需要进行脉码调制（Pulse Code Modulation，PCM），它包含了采样（Sampling）、量化（Quantizing）和编码（Encoding）：

1. 采样：根据奈奎斯特准则，取样频率要至少为原始信号最高频率的2倍，才能从采样的信号中无失真恢复原始模拟信号。

2. 量化与编码：采样后的结果是一系列振幅值介于最大最小值之间的脉冲，这些值无法直接用于编码，因此要对每个采样值进行量化整理后再编码。量化其实非常简单，只要基于模拟信号的振幅范围，将数据分为不同等级就可以确定每个样本的位数。最后再对每个等级进行编码即可。如我国采用n_b=8n_b=8位编码，根据公式n_b=log_2L，L为量化等级数，则有L=256个量化等级。

    3. 最后就可以计算信号传输速率，其公式为采样率*每个样值的编码位数。如：· 由于历史原因，PCM有两个互不兼容的国际标准：

· 旧的数字传输系统存在许多缺点：

1. 速率标准不统一：难以实现基于光纤的高速数据传输。

2. 不是同步传输：过去为了节约经费，各国数字网采用准同步方式，因此若数据传输速率很高时，收发双方时钟同步就成为了很大的问题。

· 同步光纤网（Synchronous Optical Network，SONET）：其各级时钟都来自于一个非常精准的主时钟，它为光纤传输系统定义了同步传输速率等级结构。

· 同步数字系列（Synchronous Digital Hierarchy，SDH）：一般可认为SONET和SDH为同义词，只是某些技术细节不同。

· SONET和SDH的意义：

1. 使不同的数字传输体制在STM-1等级上获得了统一。

2. 第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。

3. 已成为公认的新一代理想的传输网体制。

4. SDH标准也适用于微波和卫星传输的技术体制。

物理层下的传输媒体

· 传输媒体也称为传输介质或传输媒介，即发送器和接收器中的物理通路。

· 传输媒体可分为：

1. 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（如铜线、光纤）传播。

2. 非导引型传输媒体：就是指自由空间，电磁波的传输常称为无线传输。

· 导引型传输媒体：

1. 双绞线：

   

   双绞线优点是成本低、尺寸小且易安装；缺点是易受干扰，衰减虽频率增高而加大，传输距离有限，100m左右。

2. 同轴电缆：

   

3. 光缆（光纤）：

   

· 非导引型传输媒体：

1. 就是"自由空间"，就是我们常说的"无线传输"。

2. 包含微短波通信（高频通信）和微波通信（直线传播）。

3. 传统微波通信包含地面微波接力通信（传播距离短，需要信号站接力）和卫星通信（延迟比较高）。

宽带接入技术

· 用户通过宽带接入到互联网，原来美国认为上下行宽带只和超过200Kb/s就认为是宽带，而2015年重新定义下行至少25Mb/s，上行至少3Mb/s才是宽带。

· 非对称数字用户线（Asymmetric Digital Subscriber Line，ADSL）技术：

1. 使用数字技术改造原有的模拟用户电话线，让它能承载宽带业务。

2. ADSL就是把低频的0-4 kHz留给电话使用，把原来未被利用的高频留给用户上网使用。

3. ADSL的下行远大于上行速度，因此称为非对称。

   

4. ADSL传输距离取决于数据率和用户线的线径（越细信号衰减越大）

· 光纤同轴混合网（Hybrid Fiber Coax，HFC）：

1. 在有线电视网（CATV）的基础上开发的一种宽带接入网。

   

· FTTx技术：

1. 实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方案。