物理层

青衣

一、物理层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。
数据通信系统的模型：

• 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。
  

二、物理层的主要任务主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。

• 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。4V— 6V表示二进制“0”,用-4V—-6V表示二进制“1”
  
• 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。
  

三、曼切斯特编码与差分曼切斯特编码

• 首先，来自信源的信号常称基带信号。
  
• 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
  
• 调制又分为两大类：基带调制、带通调制
  

3.1基带调制
基带调制：变换后的信号仍然是基带信号，调制的过程称为编码。近距离
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。
  

下面使用图来进行讲解：

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。
练习题：

• 排除D，因为差分曼彻斯特编码的位中心是始终都有跳变
  
• 排除C，最开始0到1的时候，位开始边界有跳变代表，但我们是1，并不是0
  
• 最后选择B，排除A的理由和C相同，1到1的时候，不应该有跳变。
  

下面那题我是按照差分曼彻斯特编码来进行算出答案的，最后使用曼彻斯特编码校验。

3.2带通调制
带通调制：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,调制的过程称之为载波。远距离

• 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。
  

四、信噪比与香农公式
4.1信噪比
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。
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。
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
  
  
  
  • 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
  
  
  
  • 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。但是如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。
    
  • 所以，信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。
    
  
  

公式：

• 信噪比(dB) = 10 log10(S/N)(dB)
  

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

4.2香农公式

1984年，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）。

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。
  

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。

• 用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
  

五、常见的传输介质传输媒体也称为传输介质或传输媒介，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
  

5.1导引型传输媒体
5.1.2双绞线

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

5.1.3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欧姆 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
  
• 75欧姆 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用
  

5.1.4光缆
光纤是光缆通信的传输媒体，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。

光纤优点：

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

5.2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
  

六、频分复用技术与时分复用技术复用 (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。


6.1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）。


6.2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）。
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。

时分复用的不足：用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

6.3其他复用方式
七、常见的宽带接入技术

• ADSL 技术
  
• 光纤同轴混合网（HFC网）
  
• FTTx 技术
  

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
  

7.1ADSL 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
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 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。
ADSL 的特点：

• 上行和下行带宽做成不对称的。
  
• ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
  
• 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT，DMT 调制技术采用频分复用的方法
  
• ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率
  

7.2光纤同轴混合网（HFC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。
HFC 网对 CATV 网进行了改造。
HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。

用户接口盒 UIB (User Interface Box) 要提供三种连接，即：

• 使用同轴电缆连接到机顶盒 (set-top box)，然后再连接到用户的电视机。
  
• 使用双绞线连接到用户的电话机。
  
• 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。
  

电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。最大的特点就是传输速率高

7.3FTTx 技术
FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），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。