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。

主要任务为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

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

通信系统可分为三部分：

• 源系统（或发送端、发送片）
  • 源点：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。
• 传输系统（或传输网络）
• 目的系统（或接受端、接受方）
  • 接受器：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号。典型的接受器就是解调器。
  • 终点：重点设备从接受器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。

常用术语：

• 数据是运送数据的实体
• 信号则是数据的电气或电磁表现。
• 信号分为模拟信号（连续信号）、数字信号（离散信号）

有关信道的几个基本概念

1.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

• 单向通信（单工通信）：只有单方向通信没有反方向的交互
• 双向交替通信（半双工通信）：通信双方都可以发送信息，但不能同时发送或接受
• 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接受信息

2.基带信号：来自信源的信号常称为基带信号。

调制（因为基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有直流成分，而很多信道并不能传输这种低频分量或直流分量）

• 基带调制：仅仅对基带信号的波形进行交换，使它能够与信道特性相适应。交换后的信号仍是基带信号。（把数字信号转换为另一种形式的数字信号，也称这个过程为编码）
  • 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：用周期中心的向上跳变代表0，周期中心的向下跳变代表1，也可以反过来定义。（具有自同步能力，也就是从信号波形中提取时钟频率）
  • 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1
• 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，这样能够更好地在模拟信道中传输，经过调制后的信号称为带通信号。
  • 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

码元传输速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声越大，或传输媒体质量越差，在接受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：

• 信道能够通过得频率范围（在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，超过上限就会出现严重的码间串扰问题，使接受端对码元的识别成为不可能）
• 信噪比（信号的平均功率和噪声的平均功率之比）
• ，当S/N=10时，信噪比为10dB,当S/N=1000时，信噪比为30dB

香农公式：    H 为信道的带宽，C为信道的极限传输速率

 

物理层下面的传输媒介

导引型传输媒体

1. 双绞线：最古老最常用的传输媒体。把两根绝缘的铜导线并放在一起，以某种方法绞合在一起。
2. 同轴电缆：由内导体铜质芯线，绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层所构成。
3. 光缆：利用光导纤维传递光脉冲来进行通信

非导引型传输媒体

无线传输（利用无线电波在自由空间的传播）

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

复用器和分用器必须成对的使用

• 频分复用：频分复用的所有用户在同样的事件占用不同的带宽资源；
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时分复用：时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度；
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统计时分复用：一种改进的时分复用（由四个时分复用的图可知，当某段时间内，时分复用的某个用户暂时无数据传输时，则会让分配到的子信道（从时分复用帧中分配的时间片）空闲，这样就会浪费线路资源，像上图一样，于是就出现了统计时分复用）。统计时分复用利用STMD帧来传送复用数据，但每个帧中的时隙数小于连接在集线器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集线器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STMD帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。因此，STMD帧不是固定分配时隙，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。

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波分复用：光的频分复用

码分复用CDM（码分多址CDMA）：

各用户使用经过特殊挑选的码型，依次各用户之间不会造成干扰。

码片：CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片。

使用CDMA的每一个站都被指派一个唯一的m bit的码片序列。

CDMA系统中，给每个站分配的码片序列不仅必须不相同还必须正交。

向量S表示S站的码片向量，向量T表示其他任何站的码片向量，则这两个向量正交，由S点乘T等于0；任何一个码片向量自己的格式化内积都是1。

例如：指定S站的8bit码片序列是00011011，当S发送比特1时，它就发送序列00011011，当发送0时，它就发送11100100，为了方便我们按惯例把码片中的0写成-1.依次S站的码片序列时（-1，-1，-1，1，1，-1，1，1）。

数字传输系统

早期的存在许多的缺点：速率标准不统一，不是同步传输

为了解决这一问题，1988年推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网SONET

又在SNOET基础上制定了国际标准同步数字系列SDH

宽带接入技术

新的定义，将原定的宽带下行速率调整至25Mbit/s，原定的宽带上行速率调整至3Mbit/s。

分为有线接入宽带和无线接入宽带，下面只讨论有线接入宽带。

用户到互联网的宽带接入方法：

非对称数字用户线ADSL技术：

光纤同轴混合网（HFC）

FTTx技术：

光纤到户FTTH、光纤到路边FTTC，光纤到小区FTTZ等等