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。
- 物理层的主要任务
- 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表示何种意义。
- 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据通信系统的模型
- 一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
- 常用术语
- 数据 (data) —— 运送消息的实体。
- 信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
- 模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
- 数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
- 码元 (code) —— 在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
- 有关信道的几个基本概念
- 信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
- 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)。
- 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信息。
- 基带信号（即基本频带信号）—— 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)。
- 两大类调制：
- 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） 。
- 带通信号 ：经过载波调制后的信号。
- 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。
- 从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 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（这叫作没有自同步能力），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
- 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
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，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
- 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
- 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。
- 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（码元之间的界限模糊不清）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。
- 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：$信噪比(dB) = 10log_{10}(S/N) (dB)$
- 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 可表达为：$W\log(1+S/N) (bit/s)$
- 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。
- 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是这样的），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。
- 注意：
- 对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。
- 这就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
- 信道能够通过的频率范围
物理层下面的传输媒体
- 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
- 在导引型传输媒体中，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。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
- 引导型传输媒体：双绞线（屏蔽双绞线 STP 、无屏蔽双绞线 UTP ）、同轴电缆（50Ω同轴电缆，70Ω同轴电缆）、光缆（多模光纤，单模光纤）。
- 光纤优点：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：
- 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。
- 微波在空间主要是直线传播。
- 传统微波通信有两种方式：
- 地面微波接力通信
- 卫星通信
- 传统微波通信有两种方式：
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：
- 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（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。
- 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。
- 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
- TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
- 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
- 统计时分复用 STDM
- STDM 帧不是固定分配时隙，而是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。
- 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。
- 码分复用 CDM
- 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple 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。
- 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
- 在实用的系统中是使用伪随机码序列。
宽带接入技术
- 用户要连接到互联网，必须先连接到某个 ISP，美国联邦通信委员会 FCC 认为只要双向速率之和超过 200 kbit/s 就是宽带。
- 从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：有线宽带接入、无线宽带接入。
- ADSL 技术：非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
- ADSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
- ADSL 的传输距离 ADSL 的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。
- ADSL 所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。
- FTTx 技术：FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。（光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)、光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)、光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)）。
