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。其作用是要尽可能地屏蔽掉不同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（procedure)。
  • 物理层的四个特性：
    1. 机械特性：对接口接线器规格的规定（形状、尺寸、引脚数目……）
    2. 电气特性：接口电缆上各条线的电压范围
    3. 功能特性：指明某一条线上出现某一电平的电压的意义
    4. 过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信的基础知识🌟

数据通信系统的模型

  • 一个数据通信系统可划分为三大部分：

    • 源系统（发送端、发送方），包括：
      • 源点（source）：远点设备产生要传输的数据
      • 发送器：将数字比特流编码以在传输系统传输的部分，如调制器
    • 传输系统（传输网络）
    • 目的系统（接收端、接收方），包括：
      • 接收器：将接收到的信号转换为可以被目的设备处理的信息，如解调器
      • 终点（destination）（目的站、信宿）：重点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后输出信息

    数据通信系统的模型

  • 数据（data）式运送消息的实体。信号（signal）则是数据的电气或电磁的表现，按照参数的取值方式不同分为两大类：

    • 模拟信号（连续信号）：消息的参数取值是连续的，可采用电波形式表示，特点为波动性、持续变化、包含无穷多个值。
    • 数字信号（离散信号）：消息的参数取值是离散的，特点为离散型、跃变性、包含有限个值、设备性能先进、较为便宜。

    模拟信号和数字信号的波形比较

  • 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称为码元。

    码元与信息比特

  • 模拟信道与数字信道：

    • 模拟信道是用来传输连续的模拟信号的信道，如果利用模拟信道传送数字数据，则必须经过数字与模拟信号之间的变换（A/D变换器）。
    • 数字信道是用来传输离散的数字信号（如脉冲信号）的信道

数据传输的几种形式

  • 模拟数据和数字数据之间都可以用模拟信号或数字信号来表示，可以用其中任意一种形式传输。

    传输形式的转换

信道的基本概念

  • 信道表示向某一个方向传送信息的媒体。根据通信双方信息交互方式来看，有如下三种基本方式：

    • 单向通信（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）：通信双方都可以大宋信息，但不能双方同时发送。
    • 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接收信息

  • 基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号。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。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。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。调制分为两类：

    • 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。
    • 带通调制：使用载波 (carrier)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，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。

    基带调制与带通调试

  • 常用的数字信号编码技术：

    • 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。但也可反过来定义。（IEEE 802.3以太局域网标准编码）
    • 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。（IEEE 802.5令牌环局域网标准编码）

    常用编码方式

    每个码元中间都要发生跳变，接收端可将此变化提取出来作为同步信号，使接收端的时钟与发送设备的时钟保持一致。曼彻斯特编码也称为自同步码（即有自同步能力）。

  • 基本的带通调制方法

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

    带通调制方法

  • 脉冲编码调制（PCM）解调技术三步骤：

    • 采样：按一定间隔对语音信号进行采样
    • 量化：对每个样本舍入到量化级别上
    • 编码：对每个舍入后的样本进行编码

信道的极限容量

信道能够通过的频率范围

  • 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：

    • 信道能够通过的频率范围
    • 信噪比

  • 理想低通信道的最高码元传输速率B = 2W Baud（W是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)，Baud 是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。）

  • 数据传输速率：$C=2W\log_{2}{V}(bps)$

    理想低通信道的极限数据传输率

  • 码元传输速率B与信息传输速率C的关系：$C=B\times \log_{2}{V}(bps)$​

信噪比

  • 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，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即：$信噪比=10\log_{10}{(S/N)}(dB)$​
  • 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）：$C=W\log_{2}{(1+S/N)}(bps)$。（其中：W 为信道的带宽（以 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 ）。

物理层下面的传输媒体🌟

  • 传输媒体（传输介质、传输媒介）：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路，是通信中实际传输信息的载体。传输媒体分为两大类：

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

    电信领域使用的电磁波的频谱

导引型传输媒体

双绞线

  • 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。分为屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)和无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 两种。

    双绞线

同轴电缆

  • 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。同轴电缆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 / 模拟传输常用
    同轴电缆

  • 50Ω同轴电缆又分为粗缆和细缆两种。

    • 粗缆传输性能优于细缆。常用于10Base-5的以太网中，单根最大传输距离500米。（10：传输速率10Mbps，base：基带传输，5：最大网段长度500m）

      • 总线上最多可以连接100个收发器，两个收发器之间的距离不能小于2.5m
      • 收发器电缆（AUI电缆）长度最多为50m
      • 物理连接遵循5-4-3规则：最多可用4个中继器，5个网段（其中仅3个网段可接工作站，其余只用于距离加长），最大网络长度2469米。

      粗缆以太网

    • 而细缆常用于10Base-2的以太网中，单根最大传输距离185米。

光缆

  • 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远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

    光纤

    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。

    光波在纤芯中的传播

    只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。

  • 多模光纤与单模光纤

    • 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。
    • 单模光纤的直径减小到只有一个光的波长，像一根波导那样使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。

    多模光纤与单模光纤

  • 光纤的优点

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

非导引型传输媒体

  • 无线传输所使用的频段很广。短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
  • 地面微波接力通信
    • 原理：
      • 在两个微波传送塔之间传输信息（视距传输）。
      • 通过微波中继站串联使用完成远距离传输。
    • 优点：频带宽、通信容量大、传输质量高、可靠性较好、投资少、见效快、灵活
    • 缺点：相邻站间必须直视，不能有障碍物；受气候干扰较大、保密性差、中继站的使用与维护问题等。

信道复用技术🌟

  • 频分多路复用FDM (Frequency Division Multiplexing)，适合于模拟信号的传输，如电话系统、电视系统。
  • 时分多路复用TDM(Time Division Multiplexing)，适用于数字信号的传输，计算机网络中的数据突发性，应用异步时分多路复用技术
  • 波分多路复用WDM (Wave Division Multiplexing) ，应用于全光纤组成的网络中，传输的是光信号
  • 码分多路复用CDM(Code Division Multiplexing)，广泛应用于移动通信和无线局域网中

频分复用FDM

  • 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（频率带宽）。
频分复用

时分复用TDM

  • 时分复用则是将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 帧中占用固定序号的时隙，所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
  • TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。
时分复用

统计时分复用STDM

  • 按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。
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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多个光载波信号。

波分复用

码分复用CDM

  • 码分复用让每一个用户在同样的时间，使用同样的频带进行通信，各用户使用经过特殊挑选的不同码型（码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)），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。
  • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，即“码片”，使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列，一般是64或128。如发送比特1，则发送码片系列，发送0则发送码片序列的二进制反码。

内容更新中……

数字传输系统

宽带接入技术

ADSL技术

光纤同轴混合网（HFC网）

FTTx技术