物理层

首先强调指出,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

物理层的基本概念

  1. 物理层的主要任务:确定与传输媒体的接口有关的一些特性

    1. 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。
    2. 电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
    3. 功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
    4. 过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
  2. 串行传输:数据在通信线路(传输媒体)上的传输方式一般都是串行传输,即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

数据通信的基础知识

数据通信系统的三大部分

  1. 源系统(发送端、发送方)

    1. 源点:源点设备产生要传输的数据,又称为源站或信源
    2. 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。
  2. 传输系统(传输网络)

  3. 目的系统(接收端、接收方)

    1. 接收器
      • 接受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
    2. 终点: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,又称为目的站信宿

常用术语:

  • 通信:目的是传送消息(Message),如话音、文字、图像、视频等

  • 数据:是运送信息的实体,通常是有意义的符号序列

  • 信号:是数据的电气或电磁的表现,根据信号中代表信息的参数的取值方式不同,信号可分为两大类:

    1. 模拟信号(连续信号)——代表信息的参数的取值是连续的

    2. 数字信号(离散信号)——代表信息的参数的取值是离散的

  • 码元:在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时,则代表不同离散数值的基本波形

信道

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此,一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道

从通信的双方信息交互的方式来看,可以有以下三种基本方式:

  1. 单向通信(单工通信):即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互,例如电视广播

  2. 双向交替通信(半双工通信):即通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收),是一方发送,另一方接收,过一段时间后再反过来

  3. 双向同时通信(全双工通信):即通信的双方可以同时发送和接收信息

基带信号:来自信源的信号。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。所以,必须对基带信号进行调制

调制

  1. 基带调制:仅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,变换后信号仍然是基带信号。因此大家更愿意把这种过程称为编码

  2. 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,这样就能够更好地在模拟信道中传输。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)。

常用编码方式

数字信号常用的编码方式

  1. 不归零制:正电平代表 1,负电平代表 0

  2. 归零制:正脉冲代笔哦啊 1,负脉冲代表 0

  3. 曼切斯特编码: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,也可以反过来定义

  4. 差分曼切斯特编码: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

基本的带通调制方法

最基本的三种调制方式

  1. 调幅(AM):即载波的振幅随基带数字信号而变化,例如,0 或 1 分别对应于无载波或有载波输出

  2. 调频(FM):即载波的频率随基带数字信号而变化,例如,0 或 1 分别对应于频率 f1 或 f2

  3. 调相(PM):即载波的初始相位随基带数字信号而,例如,0 或 1 分别对应于相位 0 度或 180 度

信道的极限容量

码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,或噪声干扰越大,或传输媒体质量越差,在接收端的波形的失真就越严重。从概念上讲,限制码元在信道上的传输速率有以下两个:

  1. 信道能够通过的频率范围

    • 码间串扰
      • 在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。
    • 奈氏准则:在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,传输速率超过次上限,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。
    • 如果信道的频带越宽,也就是能够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。
  2. 信噪比

    1. 信噪比
      • 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(dB) = 10 log10(S/N) (dB)
    2. 香农公式
      • 信道的极限信息传输速率 C 是:C = W log2(1+S/N) (bit/s)
      • 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。
      • 香农公式表明:信道的带宽或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高。
      • 香农公式的意义: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。
      • 除此之外,还有一个提高信息的传输速率的方法,就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量

物理层下面的传输媒体

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。

  1. 导引型传输媒体:电磁波被导引沿着固定媒体(铜线或光纤)传播

  2. 非导引型传输媒体:指自由空间,常称为无线传输

导引型传输媒体
  1. 双绞线:

    • 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双绞线。
    • 它是最古老但又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。导线越粗,其通信距离就越远,但导线的价格也越高
    • 为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力,可以在双绞线外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层,也就是屏蔽双绞线,简称 STP,价格比无屏蔽双绞线 UTP 要贵一些
    • 现在常用的 UTP 是 5 类线

    • 直通:A——A 异类相接 B——B

    • 交叉:A——B 同类相接

序号 1 2 3 4 5 6 7 8
A 序 绿白 绿 橙白 蓝白 棕白
B 序 橙白 绿白 蓝白 绿 棕白
  1. 同轴电缆:由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。

    • 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 欧姆:粗,LAN/数字传输常用

    • 75 欧姆:细,有线电视/模拟传输常用

  2. 光缆:光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信,有光脉冲相当于 1,没有光脉冲相当于 0。 光纤是光纤通信的传输媒体。

    • 多模光纤:可以存在多条不同角度入射的光纤在一条光钎中传输

    • 单模光钎:光钎的直径减小到只有一个光的波长,则光钎就像一根波导那样,它可使光线一直向前传播,而不会产生多次反射

    在光钎通信中常用的三个波段的中心分别位于 850nm,1310nm 和 1550nm。所以这三个波段都具有 25000-30000GHz 的宽带

    • 光钎的优点:

      1. 通信容量大;

      2. 传输损耗小,中继距离长,对远距离传输特别经济;

      3. 抗雷电和电磁干扰性能好,这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要;

      4. 无串音干扰,保密性好,也不易被窃听或截取数据;

      5. 体积小,重量轻,这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。

信道复用技术(提高信道利用率)

  • 复用:通信技术中的基本概念

  • 频分复用

    • 用户在分配到一定的频带后,在通信过程中自始自终都占用这个频带。
    • 所有用户在同样的时间占用不同的宽带资源。
  • 时分复用

    • 将时间划分为一段段等长的时分复用帧。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。
    • 所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
    • 由于计算机的突发性质,用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的
  • 统计时分复用:是一种改进的时分复用,它能明显地提高信道的利用率

  • 波分复用:光的频分复用,借用传统的载波电话的频分复用的概念,使用一根光纤来同时传送多个频率很接近的光载波信号

  • 码分复用

    • 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
    • 由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各用户之间不会造成干扰。

宽带接入技术

  • ADSL 技术:非对称数字用户线,是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带数字业务。

  • 光纤同轴混合网(HFC 网):目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网,除可传送电视节目外,还能提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

  • FTTx 技术:光纤到 x 技术,这里的 x 可代表不同的光纤接入点