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物理层

物理层的基本概念

• 物理层的主要任务
  • 如何在传输介质上传输比特流
• 物理层涉及的四个特性
  • 机械特性:接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等
  • 电气特性:在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
  • 功能特性:某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
  • 过程特性: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

• 若干术语和概念

  • 信道(channel)一般表示向某一方向传送信息的介质

  • 通信的目的是传送消息(message)，如话音、文字、图像等

  • 消息的实体是数据(data)

  • 信号(signal)是数据的电气的或电磁的表现。信号分为模拟信号和数字信号两大类

  • 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称为码元

    • 码元速率：单位时间内通过信道的码元个数，单位为波特(baud)
    • 数据速率：单位时间内通过信道的信息量(比特数)，单位b/s或bps

    码元速率和数据速率两个不同的概念，对同一信道，仅当使用二进制编码时二者相等，我们希望用一个码元携带尽可能多的比特，以提高信道的数据速率

有关信号的几个基本概念

• 通信双方的交互方式

  • 单向通信(单工通信, simplex):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, half-duplex):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，duplex):通信的双方可以同时发送和接收信息

• 基带(baseband)信号和带通(band pass)信号

  • 基带信号(即基本频带信号)：来自信源的信号。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)。
  • 带通信号：基带信号经过载波调制后，信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(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:

  • 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

• 为了获得更高的传输速率，常采用多元制的混合调制方法，如振幅和相位相结合的正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)

信道的极限容量

• 信号失真问题

  • 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，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

• 信道能够通过的频率范围

  • 一个信道所能通过的频率范围总是有限的，高频分量往往不能通过信道
  • 接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限，即“码间串扰”
  • 奈奎斯特(Nyquist)定理
    • 理想低通信道最大数据传输率=$2H log_2V$​ (bps)[H ----信道带宽，V----信号电平的级数(信号的状态数)]，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的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能
  • 信道的频带越宽，能够通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰

• 信噪比

  • 信号的平均功率与噪声的平均功率之比，常记为S/N，以分贝(dB)作为计量单位，信噪比=$10log_10(S/N)$(dB)
  • 1948年，信息论创始人香农(Shannon)推出了香农公式,信道的极限信息传输速率 C 可表达为：$C=Wlog_2(1+S/N)$(b/s)[W：信道带宽(单位：Hz),S：信道内所传信号的平均功率,N：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

物理层下面的传输介质

• 传输介质：又称为传输媒体或传输媒介，指数据传输 系统中发送器和接收器之间的物理通路
• 传输媒体分为两大类
  • 导引型传输介质
  • 非导引型传输介质

导引型传输介质

• 双绞线(twisted pair)
  • 通过将两根绝缘铜线绞合，减少相互干扰
  • 分两类
    • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
    • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
  • 在网络时代前即广泛应用于电话系统
  • 价格便宜，便于安装使用，传输距离较短
  • 局域网布线系统常使用8芯非屏蔽双绞线
  • 标准EIA/TIA-568中规定了非屏蔽双绞线的类别和带宽

• 同轴电缆(coaxial cable)
  • 内导体铜质芯线外包裹网状编织的屏蔽层
  • 抗干扰能力和传输速率均高于双绞线，但造价较高，大规模安装使用不便
  • 广泛应用的同轴电缆分为2类
    • 50Ω同轴电缆
    • 75Ω同轴电缆
• 光纤(fiber optics)
  • 光纤由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成双层通信圆柱体
  • 光纤分为两类
    • 多模(multi-mode)光纤：多条不同入射角度的光线在一条光纤中传输，距离短，成本低
    • 单模(single-mode)光纤：光纤直径=光波波长，光纤成为波导，此时光线沿直线传播，不会反射
  • 光纤通信优点
    • 通信容量大
    • 传输损耗小、距离长
    • 抗干扰能力强
    • 保密性好
    • 体积小、重量轻
  • 广泛应用于长途干线传输、局域网/城域网的干线、高带宽且高可靠的网络连接(如服务器)
  • 缺点
    • 安装较为复杂(光纤连接需专用设备)；需光/电转换；价格？

非导引型传输介质

• 非导引型传输介质指可传播无线电波的自由空间

• 无线通信的适用场合

  • 偏远地区通信
  • 城市中敷设线缆较为困难的场合
  • 移动设备

• 主要分类

  • 短波通信
    • 通过电离层反射，传输距离长，通信质量较差，传输速率低
  • 微波通信及卫星通信
    • 微波频率范围：300MHz—300GHz
    • 频率大于100MHz的电磁波几乎按直线传播，可使用抛物面状天线将能量聚集成束，从而获得极高信噪比
    • 分为地面微波通信和卫星通信

• 地面微波通信

  • 长距离传输时，每隔一定距离需建立中继站，进行接力转发
  • 优点
    • 信道频段范围宽，容量大
    • 在无线通信中抗干扰能力较强
    • 与线缆通信相比，建设速度快、成本低
  • 缺点
    • 相邻站需直视，易受地理或建筑物影响
    • 有时受气候影响(雷电、太阳黑子爆发等)
    • 隐蔽性和保密性较差
    • 中继站维护需消耗人力物力

• 关于无线频谱政策

  • 多数无线频段由政府管理和分配，需获得许可才能使用
    • 电磁波在空间中传播时相互影响，且无线频段范围有限
  • 预留了无需许可即可免费使用的频段，即ISM频段
    • ISM—Industrial, Scientific, Medical
    • 限制：发射功率 < 1Watt
    • 极大地促进了短距离无线通信的应用
    • 使用ISM频段的设备：WLAN、Bluetooth、无线鼠标、无绳电话、…

• 卫星通信

  • 通过卫星进行微波信号转发
  • 优点：
    • 通信距离远、覆盖范围广
    • 通信容量较大
  • 传播时延较大，对于地球同步卫星单向时延达250—300ms
  • 除地球同步卫星外，低轨道卫星在数据通信领域发展较快
    • 卫星造价和发射成本低
    • 传输距离短，信号衰减小，可与地面手持设备通信
    • 时延较小

• 其他无线通信手段：红外通信、激光通信

  • 易受天气和可见光影响，通常用于近距离或室内通信

信道复用技术

频分复用与时分复用

• 复用(multiplexing)就是在一个信道上传输多路信号
• 最基本的复用方法
  • 频分多路复用(FDM—Frequency Division Multiplexing)
    • 不同用户占用不同的频带资源
  • 时分多路复用(TDM—Time Division Multiplexing)
    • 将时间划分成一段段等长的时隙，每个用户使用不同的时隙
    • 便于数字传输

波分复用(WDM–Wavelength Division Multiplexing)

• 波分复用实际上就是光的频分复用
• 专门用于光纤通信，由于光纤中光载波频率很高，人们习惯于使用波长来表示光载波

码分复用(CDM–Code Division Multiplexing)

• 更常用的名词是码分多址：CDMA–Code Division Multiple Access
• 用于无线通信
• 基本原理
  • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片(chip)
  • 每个站分配一个唯一的m bit码片序列，各站的码片序列必须互相正交(orthogonal)
    • 正交：两个向量规格化内积为0
    • 向量规格化内积：向量内积除以向量长度
  • 使用扩频通信(Spread spectrum)方法，每bit转换成m bit码片
• 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

数字传输系统

脉码调制系统(PCM—Pulse Code Modulation)

• 用于电话交换系统，在数字传输系统中进行多路话音的变换与传输
• 话音由模拟数字的变换：对模拟话音按周期进行采样和A/D变换
  • 采样频率8000次 /秒，采样数据用8bit表示
  • 话音数据速率：64kb/s
• 数字化的话音数据进行时分多路复用
  • 欧洲体制(中国使用该体制)
    • 每个时分复用帧包含32个时隙，其中2个用于同步和控制，30个用于传输话音数据，每个时隙8bit。即有帧长度：32 x 8 = 256 bit
    • 8000 x 256 bit = 2.048 Mb/s，称为E1，可传输30路话音
  • 北美体制
    • 每个时分复用帧包含24个时隙，每个时隙8bit，其中1bit用做信令，7bit话音数据，每帧1bit同步。即有帧长度：24 x 8 + 1= 193 bit
    • 8000 x 193 bit = 1.544 Mb/s，称为T1，可传输24路话音

同步光纤网 SONET和同步数字系列SDH

• 用于高速干线传输，特别是光纤传输
• 1988年美国制定了SONET(Synchronous Optical Network)标准
  • 同步传输，系统需要精确的主时钟
  • 主要用于光纤传输
• ITU-T以SONET为基础制定出SDH(Synchronous Digital Hierarchy)
• 一般可认为SONET与SDH是同义词

宽带接入技术

• 接入：access
• 通常指远程用户(计算机)访问网络的技术，如家庭用户
• 接入服务器：access server
• 宽带没有严格定义，宽带接入泛指超越传统的modem+电话线拨号上网 (最高56kbps)的技术
• 典型的宽带接入技术
  • 以家庭现有线路为基础：基于电话线的xDSL、基于有线电视线的HFC
  • 基于光纤传输：典型的FTTH

xDSL技术(Digital Subscribe Line)

• “最后一英里(last mile)”

  • 通常指通信运营商局端到家庭用户之间的本地回路
  • 对此段线路进行数字化改造代价高昂，仍普遍采用模拟传输方式
  • “最后一英里”是宽带接入技术需要面对的核心问题之一

• xDSL技术在不改变“最后一英里”线路的前提下，通过改造现有的模拟电话用户线的传输方式，使其能够承载宽带业务

• xDSL的几种类型

  • ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)
  • HDSL (High speed DSL)
  • SDSL (Single-line DSL)
  • VDSL (Very high speed DSL)

• ADSL主要特点

  • 仍然使用现有电话线，无需对庞大的电话布线系统进行改造
  • 把0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把高端频谱用作网络接入( 用户上网)
  • 带宽非对称，即上行(用户ISP)和下行(ISP用户)带宽不同，适应普通用户上网特点(多运行浏览、下载等应用)

• ADSL标准和传输速率

  • 1999年，ADSL成为国际标准(ITU-T)，下行8Mbps，上行1Mbps
  • 2002年，ADSL2，下行12Mbps，上行1Mbps
  • 2003年，ADSL2+，下行24Mbps，上行1Mbps

• ADSL定义的传输速率是可能达到的最高传输速率，实际传输速率与用户线路的质量和距离相关

• 离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术
• 采用频分复用
  • 把 40k–1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行，而 249 个子信道用于下行
• 每个子信道占据 4 kHz 带宽，并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制
• 用户线彼此差异很大(距离、线径、干扰等) ，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

HFC

• Hybrid Fiber Coax光纤混合同轴网
• 以有线电视网 CATV为基础的宽带接入技术
  • 单向广播式传输 -> 双向传输
  • 传输电视信号 -> 传输电视、话音、数据
  • 以同轴电缆为主 -> 光纤 + 同轴电缆
• 主要特点
  • 主干线路采用光纤
  • 采用结点体系结构
  • 具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能
  • 每个家庭要安装一个用户接口盒UIB (User Interface Box)
    • 提供三种连接：同轴电缆连接到机顶盒(set-top box)、双绞线连接到用户的电话机、电缆调制解调器连接到用户的计算机

基于光纤的宽带接入：FTTx

• 基于光纤传输的宽带接入技术
  • FTTH(Fiber To The Home)：光纤到户
  • FTTB(Fiber To The Building)：光纤到大楼
  • FTTC (Fiber To The Curb)：光纤到路边
• 目前用于光纤到户的技术：无源光网络PON—Passive Optical Network
  • 光纤配线网中无需供电，运营维护成本低；上下行使用波分复用
  • EPON(Ethernet Passive Optical Network) — IEEE802.3ah
  • GPON(Gigabit-capable Passive Optical Network) — ITU-T G.984