第二章 物理层

第二章 物理层

• 1.数据通信的基础知识
• 2.物理层的基本概念
• 3. 传输媒体
• 4. 信道复用技术
• 5. 数字传输系统
• 6. 宽带接入技术

1.数据通信的基础知识

1.1 常用术语：
通信的目的是传送消息，话音、文字、图像、视频等都是消息。
数据是运送消息的实体，是使用特定方式表示的，是有意义的符号序列。比如1101110…
信号是数据的电气或电磁的表现。根据消息的参数的取值方式不同分为模拟信号（连续信号）和数字信号(离散信号）两大类。

• 模拟信号：消息的参数的取值连续
• 数字信号：消息的参数的取值离散。其中 随时间的变化，代表不同离散值的基本波形为码元。一个码元所携带的信息量不是固定的，由调制方式和编码方式决定

1.2 数据通信系统的模型

分为三大部分：

• 源系统（发送端、发送方）
  • 源点（源站/信源）：源点设备产生要传输的数据。
  • 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在大多计算机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），对用户透明。
• 传输系统（传输网络）：简单的传输线或复杂的网络系统
• 目的系统（接收端、接收方）
  • 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，将模拟信号解调，提取出置入的消息，还原成数字比特流。
  • 终点（目的站/信宿）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。
    

来自信源的信号（像计算机输出的代表各种文件或图像文件的数据信号）常称为基带信号。基带信号往往包含较多的低频成分和直流成分，必须进行调制才能在许多信道中传输。

调制分为两大类。

• 一类是基带调制（编码）：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号，变换后的信号仍是基带信号。

• 另一类是带通调制：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）。

  带通调制方式

  • 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。0表示无载波，1表示有载波
  • 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。0和1频率不同
  • 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） ：振幅相位混合调制方法，达到更高的信息传输速率
    

1.3 关于信道的基本概念

• 信道表示向某一个方向传送信息的媒体；一条通信电路往往包含两条信道（一条发送信道和一条接收信道）。电路不等同于信道。
• 通信的三种方式：
  • 单向通信（单工通信）：一条线路，一条信道，只有一个方向的通信而没有反方向的交互。比如广播
  • 双向交替通信（半双工通信）：一条线路，两条信道，通信的双方都可以发送和接收信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）,即同一时刻只能有一个方向的通信。（效率低，但节约传输线路）
  • 双向同时通信（全双工通信）：两条线路，两条信道，通信的双方可以同时发送和接收信息。（传输效率最高）

收音机的无线电广播是单工通信;对讲机工作时使用半双工通信;电话、计算机通信都是全双工通信。

1.4 数字信号常用的编码方式

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。
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。

频率比较：曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
自同步能力：不归零制没有自同步能力，不能从信号波形本身中提取信号时钟频率。归零制、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

1.5 信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重,越不容易识别。

码间串扰：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。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变的不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。

• 奈氏准则（给出了在理想条件下，避免码间串扰，码元的传输速率的上限值）
  • 在带宽为W (Hz) 的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W码元/秒,若一个码元携带n个bit，则最高速率为2nW bit/s
  • 传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能
  • 这使得人们不断探索编码技术，让一个码元携带更多比特的信息量；但不能简单地认为，为了提高数据传输速率，可以让每一个码元表示任意多个比特。因为这样做会增加码元的种类， 在实际有噪声干扰的信道中，大大增加了解码的难度。例如8个bit为一个码元，那么一个码元就有256种（即信号状态数），通过不同的振幅、相位、频率来编码。经传输时噪声干扰后就难以区分了。
  • 适用于理想低通信道
• 香农公式
  • 在带宽受限且有高斯噪声干扰的信道中，信道的极限信息传输速率
    C = W·log2(1+S/N)bit/s
  • W为信道的带宽，单位是 Hz；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。
  • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信道的极限信息传输速率就越高。
  • 使人们知道，不管采用多复杂的编码技术，都不可能突破传输速率的绝对极限
  • 适用于真实信道

实际的信道都是有噪声的，但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，则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，常记为S/N。
若以分贝(dB)为单位，则信噪比(dB)= 10 log10(S/N)(dB) 。例如当S/N =1000 时，信噪比为30dB 。

2.物理层的基本概念

目的：物理层考虑的是怎样才能在传输媒体上传输数据比特流，不是指具体的传输媒体。
作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，有助于数据链路层。
任务：

• 确定与传输媒体的接口有关的一些特性
  机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
  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：指明某条线上出现的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可能事件的出现顺序
• 完成传输方式的转换：
  数据在计算机内部大多采用并行传输方式，但在传输媒体上一般是串行传输，因此物理层还要完成传输方式的转换

3. 传输媒体

传输媒体（即发送器和接收器之间的物理通路）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。

  • 1、双绞线

    • 最常用的传输媒体
    • 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起来就构成了双绞线。
    • 导线越粗，通信距离越远，减小衰减，但重量和价格越高。
    • 绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。绞合度越高，抗电磁干扰能力越强，传输速率越高。
    • 对模拟传输，使用放大器减弱信号的衰减；对数字传输，加上中继器对失真的信号进行整形
    • 一定数量的双绞线捆成电缆，现在的以太网（主流的计算机局域网）基本上是使用各种类型的双绞线电缆连接的。
    • F表示铝箔屏蔽层，S表示金属屏蔽层

  • 2、同轴电缆
    
    由于外导体屏蔽层，其具有很好的抗干扰特性。

  • 3、光缆
    
    折射角大于入射角，若入射角足够大，就会出现全反射
    保密性好，体积小，重量轻。通信容量大

    • 多模光纤：多条不同角度的入射光线，适于近距离传输
    • 单模光纤：直径小的光纤，可使光线一直向前传播。衰耗小，成本高

• 非导引型传输媒体：指自由空间。在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。
  

• 红外通信、激光通信也属于非导引型媒体,沿直线传播

4. 信道复用技术

复用是指多个用户使用一个共享信道进行通信。
复用器和分用器总成对地出现，作用相反。

• 频分复用 FDM（N个用户各使用一个频带）模拟传输方式

  • 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。所有用户在同样的时间占用不同的带宽（指频率带宽）资源。
  • 每个用户使用的带宽不变，复用的用户数增加，信道总带宽加宽

• 频分多址FDMA（更多用户轮流使用N个频带）

• 时分复用 TDM（m个用户各使用一个时隙）数字传输方式

  • 将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个用户在每一个TDM 帧中占用固定序号的时隙。
  • 每一个用户所占用的时隙周期性地出现，其周期就是TDM 帧的长度。所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
  • 计算机数据具有突发性，时分复用信道利用率不高,造成线路资源的浪费

• 时分多址TDMA（更多用户轮流使用这m个时隙）
  

为了能提高线路资源的利用率，就对时分复用进行了改进。

• 统计时分复用STDM(异步时分复用）
  
  STDM帧并不是固定分配时隙的，而是按需动态的分配时隙，因此统计时分复用可以提高线路的利用率。
  每一个STDM帧中的时隙数小于用户数。当一个帧的数据放满了，就发送出去。一个用户所占用的时隙并不是周期性的出现。

• 波分复用WDM
  波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输两个频率很接近的光载波信号。

• 密集波分复用DWDN
  使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。
  
  EDFA：对衰减了的光信号直接进行放大

• 码分复用 CDM

• 码分多址CDMA （多个用户享用码分复用信道）
  各个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此之间不会造成干扰，有很强的抗干扰能力。广泛使用在移动通信中，特别是在无线局域网中。

  • 工作原理：
    • 在CDMA 中，每一个比特时间被划分为m 个短的间隔，每一个间隔称为一个码片。是扩频通信的一种，直接序列扩频DSSS；另一种是跳频扩频FHSS
    • 使用CDMA 的每一个站被指派一个唯一的m bit 码片序列：
      若发送比特1，则发送自己的m bit 码片序列；
      若发送比特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。
      发送比特 1时，就发送序列 00011011；
      发送比特 0 时，就发送序列11100100。
      将码片中的0写为-1，将1写为+1。S站的码片序列向量为：(–1–1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)。
    • 每个站的码片序列各不相同，并且两两正交，规格化内积为0
      例如：向量S 为(–1–1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T为(–1–1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。S*T=[1+1-1-1+1-1+1-1] /8 = 0 , 所有S和T正交。
    • 向量S和其他站的码片反码规格化乘积也是0
      例如向量S 为(–1–1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T反码为(+1+1 -1 +1 -1 -1 -1 +1)。S*T=[-1-1+1+1-1+1-1+1] /8 = 0
    • 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积值都是1
    • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值都是-1
    • 如果一个“码片向量S”和 另一个“码片向量T”是正交，那么就会有如下重要的性质：
      S 和 T 正交
      S 和 “T 的反码”正交
      “S 的反码”和 T正交
      “S 的反码”和“T 的反码”正交

在接收端要想得到S站的数据码元，就要规格化内积S * (Sx + Tx) 。
S * (Sx + Tx) = S * Sx + S * Tx = S * Sx + 0 = S * Sx 。
如果Sx是S 的反码，则为-1，对应“0”比特；
如果Sx 和 S相同，则规格化为 +1，对应“1”比特。

（A * R）/ 8 = 1；A发送1
（B * R）/ 8 = -1; B发送0
（C * R） / 8 = 0; C没发送任何数据
（D * R）/ 8 = 1; D发送1

5. 数字传输系统

a 早期数字传输系统的缺点：
速率标准不统一；不是同步传输
b 现代的传输网络的最主要的传输媒体：光纤。
c 最初的在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM；现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET（美国标准）或 同步数字系列SDH（国际标准）。SDH/SONET标准的制定，第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。

6. 宽带接入技术

FTTx 技术
FTTx表示 FiberTo The…（光纤到…），字母x 代表不同的光纤接入地点，也就是光电进行转换的地方。

• 光纤到户FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭。
• 光纤到大楼FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用同轴电缆或双绞线分配到各用户。
• 还有 FTTC（路边）、FTTZ（小区）、FTTF（楼层）、FTTO（办公室）、FTTD（桌面）等不同形式。
  

无源光网络PON：为有效利用光纤资源，在光纤干线和用户之间使用无源光网络PON。采用波分复用，无源光网络无须配备电源，长期运行和管理成本低。最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON。