二、物理层

目的/任务

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 (procedure)。

主要任务：确定与 传输媒体接口 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、引线数目和排列、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的意义。

  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。

注意区分电气特性和功能特性，举例：
功能特性：某物理引脚处高电平代表0，低电平代表1。
电气特性：+10V~+15V表示二进制0，长度在10m内。

数据通信基础知识

数据通信系统模型，一个数据通信系统包括三大部分：
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  1. 源系统（或发送端、发送方）
  2. 传输系统（或传输网络）
  3. 目的系统（或接收端、接收方）。

消息、数据、信号

通信的目的是传送消息(消息：语音、文字、图像、视频等)。

消息：有人类意义的声音、图画等
数据：运送消息的实体，通常是有意义的符号序列。

信号(signal)
数据的电气的或电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
分类：

  • 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。

带宽(Bandwidth)

  1. 模拟信号系统中：最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的 通频带宽, 其单位为赫兹(Hz)。

  2. 数字设备中：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高 数据率”/单位时间内通过链路的数量。
    常用来表示网络的通信线路所能传输数 据的能力。单位是比特每秒(bps)。

数据通信、信源、信宿和信道

数据通信：指在不同计算机 之间传输表示信息的二进 制数0、1序列的过程。
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的终点。

信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
(信道有方向，只有传输信息时才能叫信道)
分类
按通信双方信息交互方式分：

  • 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。
    （通常采用）

按传输信号分：

  • 模拟信道(传送模拟信号)
  • 数字信道(传送数字信号)

按传输介质分：无线信道 有线信道

码元与数据传输速率的表示

码元
是指在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)，代表不同离散数值的基本波形。

是数字通信中数字信号的计量单位，
这个时长内的信号称为 码元,而该时长称为码元宽度。

注意：

  • 一元制编码： 只有两个不同的码元：0和1。二元制编码，有四种不同的码元：00，01，10，11
  • M进制码元： 当码元的离散状态有M个时(M大于等于2)。

数字通信系统数据传输速率的两种表示方法
速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

1)码元传输速率/码元速率/波特率： 1s传输多少个码元
表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数)。
单位是波特(Baud)，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。

例:若2秒内传 4800个码元,码元 传输速率是多少?
答:2400B

注意：数字信号有多进制和二进制之分,但码元速率与进制数无关,只与码元长度T有关。

2)信息传输速率/信息速率/比特率：1s传输多少个比特
表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数), 单位是比特/秒(b/s)。

两者关系：\(比特率=波特率×码元二进制位数\)
若一个码元携带n bit的信息量,则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为\(M×n bit/s\)。

易得：
码元越多，传输的数据就越多。

不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加。

基带信号和调制

基带信号/基本频带信号：来自信源的信号。（可能是数字信号也可能是模拟信号）
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。

调制
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)。

调制分类：

  1. 基带调制/编码(coding)：数字信号 --> 数字信号

  2. 带通调制：使用载波 (carrier)：数字信号 --> 模拟信号

带通信号 ：经过载波调制后的信号。

基带调制（编码）

数字信号 --> 数字信号
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。

常用编码方式
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  • 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。

总结

  1. 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。

  2. 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（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

带通调制

数字信号 --> 模拟信号
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(称为带通信号)，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） 。

最基本的二元制调制方法

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

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实际运用中会通过数学运算，将几种方法混合使用。

例如：正交振幅调制QAM：
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信道的极限容量

实际信道特点

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

数字信号通过实际的信道
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经过研究发现：
波形在实际信道的失真受以下几个方面的影响：

  1. 码元传输的速率 （越高越失真）
  2. 信号传输的距离 （越远越失真）
  3. 传输媒体质量 （越差越失真）
  4. 噪声干扰

码元传输的速率

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会发现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有：

  1. 信道能够通过的频率范围
  2. 信噪比

(1) 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。

奈氏准则

奈氏准则：在理想低通(无噪声,带宽受限)条件下,为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值为：

\[理想 低通信道的最高码元传输速率 = 2W（Baud） \]

  • 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,含义是： 每秒传送的码元数量

此时信道的极限信息传输速率(比特率) C ：（V表示几种码元）

\[C = 2W log_{2}(1+V) (bit/s) \]

理解：
信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。

作用：
由于码元的传输速率受奈氏准则的制约。
所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

注意 ：

  • 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率给出限制。
  • 信道带宽的单位是Hz，只有在奈氏准则和香农公式才使用此单位。

(2) 信噪比

奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率给出限制。

噪声特点

  1. 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
  2. 噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。
  3. 噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。

信噪比S/N
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。
注意： 信噪比S/N有两个单位，一个单位是 无单位，数值为S/N；一个单位是分贝dB。两个转换关系如下：

\[1dB = 10 log_{10}(S/N) \]

例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。

香农公式

香农公式： 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中，在不产生误差的情况下，信道的极限信息传输速率(比特率) C ：

\[C = W log_{2}(1+S/N) (bit/s) \]

  • 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（信道固有的不可更改）。

作用：

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

注意

  1. 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，也有办法提高信息的传输速率：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

  2. 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。

  3. 信道带宽的单位是Hz，只有在奈氏准则和香农公式才使用此单位。

两者对比：
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传输媒体

传输媒体（也称为传输介质或传输媒介）：就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

注意：

  • 逻辑通路是信道
  • 传输媒体并不是物理层
    传输媒体在物理层的下面,因为物理层是体系结构的第一层,因此有时称传输媒体为 0层。在传输媒体传输的是信号,但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。 但物理层规定了电气特性,因此能够识别所传送的比特流。

分类：

  1. 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。

  2. 非导引型传输媒体
    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。

注意：传输媒体传输的电磁波的频率越高，越利于信息传播

电信领域使用的电磁波的频谱：

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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。

分类
按照是否有屏蔽层

  • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
    带金属屏蔽层
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  • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
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按照标准

1991 年，美国电子工业协会 EIA 和电信行业协会联合发布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准 EIA/TIA-568。
1995 年将布线标准更新为 EIA/TIA-568-A。

此标准规定了 5 个种类的 UTP 标准（从 1 类线到 5 类线）。

对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是5类线（Category 5 或 CAT5）。

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常用的绞合线的类别、带宽和典型应用
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注意
传输速率由编码方式和双绞线共同决定，因此如果编码方式老旧，也不能达到带宽

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

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光缆/光纤

光纤是光纤通信的传输媒体。
由于可见光的频率非常高，约为 108 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。

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通过全反射，沿着光纤传输。

分类

  • 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。这种光纤就称为多模光纤。
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  • 单模光纤
    若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会反射。这样的光纤称为单模光纤。
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光纤通信中使用的光波的波段

常用的三个波段的中心分别位于 850 nm, 1300 nm 和 1550 nm。
所有这三个波段都具有 25000~30000 GHz 的带宽，可见光纤的通信容量非常大。

优点

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

非导引型传输媒体

将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
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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。
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

要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。

但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM。各国的 ISM 标准有可能略有差别。

无线局域网使用的 ISM 频段
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信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。
目的
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。
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频分复用 FDM

(Frequency Division Multiplexing)

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）。
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时分复用TDM

(Time Division Multiplexing)

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）的。
TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。
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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时分复用可能会造成线路资源的浪费

使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

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统计时分复用 STDM

(Statistic TDM)

工作原理
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。

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波分复用 WDM

(Wavelength Division Multiplexing)

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。

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码分复用 CDM

(Code Division Multiplexing)

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。

数字传输系统（不考）

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用 FDM 的模拟传输方式。

与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。
目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。

旧的数字传输系统

脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准：
北美的 24 路 PCM（简称为 T1）
欧洲的 30 路 PCM（简称为 E1）
我国采用的是欧洲的 E1 标准。
E1 的速率是 2.048 Mbit/s，而 T1 的速率是 1.544 Mbit/s。
当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。

旧的数字传输系统缺点
最主要的是以下两个方面：

  1. 速率标准不统一
    如果不对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的基于光纤高速数据传输就很难实现。

  2. 不是同步传输
    在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要采用准同步方式。
    当数据传输的速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

SONET/SDH

同步光纤网 SONET

同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。

SONET 为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构

  1. 对电信信号称为第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)，其传输速率是 51.84 Mbit/s。

  2. 对光信号则称为第 1 级光载波 OC-1 (OC 表示Optical Carrier)。
    现已定义了从 51.84 Mbit/s (即OC-1) 一直到 9953.280 Mbit/s (即 OC-192/STS-192) 的标准。

同步数字系列 SDH

ITU-T 以美国标准 SONET 为基础，制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。

一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。
其主要不同点是：
SDH的基本速率为155.52 Mbit/s，称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module)，即 STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

SONET的 OC级 / STS级 与SDH的 STM级 的对应关系
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SONET / SDH 标准的意义

  1. 使不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一。
  2. 第一次真正实现了数字传输体制上的世界性标准。
  3. 已成为公认的新一代理想的传输网体制。（是现在使用最广泛的）
  4. SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制。

宽带接入技术（不考）

用户要连接到互联网，必须先连接到某个ISP。

在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到ISP的，电话用户线接入到互联网的速率最高仅达到56 kbit/s。

宽带
2015 年定义宽带为：

  • 宽带下行速率要达到 25 Mbit/s
  • 宽带上行速率要达到 3 Mbit/s

美国联邦通信委员会FCC原来认为只要双向速率之和超过200 kbit/s 就是宽带。

分类：（从宽带接入的媒体划分）

  1. 有线宽带接入
  2. 无线宽带接入

这里只讨论有限宽带接入

ADSL技术 - 电话线

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。

实现方式：
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。
DSL 就是数字用户线 (Digital Subscriber Line) 的缩写。

实现方式： 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器
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用户接入方式：安装一个 ADSL 调制解调器。

ADSL 的特点

  1. 上行和下行带宽做成不对称的。
  2. 上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。
    （因为端到端，所有没有高峰期）

DMT调制技术

ADSL技术可采用 的 调制技术有很多种。
我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。

这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

实现： 采用频分复用的方法。
把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。

每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

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HFC网 - 电视线

光纤同轴混合网 / HFC (Hybrid Fiber Coax) 网，是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。

现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。

改造方式：采用结点体系结构
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  1. 同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
  2. 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。
  3. 模拟光纤从头端连接到光纤结点 (fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

用户接入方式：安装一个 用户接口盒 UIB （电缆调制解调器）。

注意 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。

特点
速度比ADSL快，但是不是点到点（一个小区一个），受上网人数影响，高峰期速度会下降。

HFC 网具有双向传输功能，扩展了传输频带
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FTTx技术 - 光纤

FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…）
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。
是现在的主流方案

例如：

光纤到户 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭，可能是居民接入网最后的解决方法。
光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

无源光网络 PON (Passive Optical Network) 的组成

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posted @ 2022-08-31 14:49  kingwzun  阅读(374)  评论(0)  编辑  收藏  举报