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第一章知识总结

第二章 物理层

2.1物理层的基本概念

1. 物理层要解决的主要问题：怎样能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流

2. 物理层协议的主要任务：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

   • 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

3. 数据在计算机内部多采用并行传输方式；而数据在通信线路上多采用串行传输方式。 物理层必须要完成传输方式的转换工作

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

2.2.1.1数据通信系统可划分为三个部分

• 源系统，又称为发送端、发送方

  • 源系统一般包括两个部分: 源点 (Source) 和发送器。

  • 源点设备产生要传输的数据

  • 发送器将源点生成的数字比特流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，又称为传输网络

  • 传输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间复杂的网络系统。

• 目的系统，又称为接收端、接收方。

  • 目的系统一般包括两个部分: 接收器和终点 (destination)

  • 接收器接收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息

  • 终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流，然后把信息输出。

  • 典型的接收器就是解调器。

2.2.1.2通信系统中的几个常用术语

• 消息（message）：通信的目的就是传送信息

• 数据（data）：运送消息的实体，通常是有意义的符号序列。

• 信号（signal）：数据的电气或电磁的表现

  • 模拟信号：或连续信号——代表消息参数的取值是连续的

  • 数字信号：或离散信号——代表消息参数的取值是离散的

• 码元（code）：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同的离散数值的基本波形

  • 使用二进制编码时，只有两种不同的码元（0和1）

• 信道：是传送信息的物理性通道，一般是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

  • 信息是抽象的，但传送信息必须通过具体的媒质。

  • 每条信道都有特定的信源和信宿

  • 一条通信电路通常包含一条发送信道和一条接收信道

2.2.2有关信道的几个概念

2.2.2.1按照信息交互的方式，分为三类：

• 单向通信：又称为单工通信，即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：又称为半双工通信，即通信的双方都能发送信息，但不能双方同时发送信息（当然也不能同时接收）

• 双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方都能同时的发送信息和接收信息

2.2.2.2基带信号

• 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。

• 包含有较多的低频成分，甚至有直流成分。

2.2.2.3带通信号

• 把基带信号经过载波调制后，把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)。

2.2.2.4两类调制

• 基带调制

  • 仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道的特征相适应

  • 把数字信号转换为另一种形式的数字信号

  • 变换后的信号依旧是基带信号

  • 把这个过程称作编码（coding）

• 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，这样就能够更好的在模拟信道中传输

  • 经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅能在一段频率范围内能够通过信道）

2.2.2.5数字信号的常用编码方式

1. 不归零制

   • 正电平代表1，负电平代表0

2. 归零制

   • 正脉冲代表1，负脉冲代表0

3. 曼彻斯特编码

   • 位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心向下跳变代表1。但也可反过来定义（就是说：向上变/由0~1为0，向下变/由1~0为1）

4. 差分曼彻斯特编码

   • 在每一位的中心处始终都有跳变，位开始边界由跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1

5. 信号频率

   • 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高

6. 自同步能力:

   • 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)

   • 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

2.2.2.6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

2.2.3信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送

• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收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两个因素

  • 信道能够通过的频率范围

  • 信噪比

2.2.3.1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

• 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。

  • 给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。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

  • 奈氏准则:码元传输的最高速率 = 2WV (码元/秒)

  • 在带宽为 W(Hz)的低通信道中，若不考虑噪声影响，码元传输的最高速率是 2W(码元/秒)

  • 传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

2.2.3.2信噪比

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。

• 由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。

• 噪声会使接收端对码元的判决发生错误，例如把1判为0或0判为1口噪声对通信的影响是相对的，如果信号强度很大，那么噪声影响就会相对很小。

• 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记作S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。 信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)

2.2.3.3香农理论

• 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 信道的极限信息传输速率C可表达为

  • C= W log2（1+S/N） (bit/s)

• 香农理论说明：

  • 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的多

2.2.3.4提高信息传输速率的方式

其本质就是用编码的方式使一个码元携带更多的比特信息

• 提升码元的传输速率

• 提升信噪比

• 使用更有效的信息编码算法

2.2.3.5奈氏准则和香农公式的意义不同

• 奈氏准则

  • 探索更先进的编码技术，使每一个码元携带更多的比特信息量

• 香农准则

  • 不论多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输的绝对极限

2.3物理层下面的传输媒体

传输媒体又称为传输媒介或传输介质，它就是数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路

传输媒体可分为两大类

• 引导型传输媒体：电磁波沿着固体媒介（铜线或光纤）传播

• 非引导型传输媒体：

  • 传输媒体就是自由空间

  • 非引导型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输

2.3.1导引型传输媒体

2.3.1.1双绞线

• 把两根相互绝缘的铜导线并排放在一起，双绞线使用规则的方法绞合起来，就构成了双绞线

• 绞合的目的在于减少每根线缆对相邻导线的电磁干扰

• 两大类双绞线

  • 无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）

  • 屏蔽双绞线STP（Shieldel Twisted Pair）

    • 必须有接地线

    • 如果使对整条双绞线电缆进行屏蔽，则标记为x/UTP。

      • x为不同类型的屏蔽层

2.3.1.2同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层以及绝缘保护套所组成。

• 同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛应用于传输较高速率的数据

• 在用途上可以分为基带同轴电缆和宽带同轴电缆（即网络同轴电缆和视频同轴电缆）

2.3.1.3光缆

是光纤通信的传输媒介，通过光脉冲来进行通信、传输宽带远大于其他传输媒体。

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信的。

• 发送端

  • 要有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲

  • 光源：发光二极管、半导体激光器

• 接收端

  • 有光检测器，在检测到光脉冲时可以还原出光脉冲

1.单模光纤和多模光纤

• 多模光纤

  • 可以存在多条不同角度入射的光纤在一条光纤中传输

  • 光脉冲在多模光纤中传输时会主键展宽，造成失真，只适合近距离传输。

• 单模光纤

  • 其直径减小到只有一个光的波长，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射

  • 制造成本高，但衰耗较小

  • 光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用较便宜的发光二极管

2.光纤通信的优点

• 通信容量非常大

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

• 抗雷电和电磁干扰性能好

• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据

• 体积小、重量轻

3.光缆

• 光缆是光纤(光传输载体)经过一定工艺而形成的线缆。

• 光缆由缆芯、加强钢丝、填充物和护套等几部分组成。另外根据需要还有防水层、缓冲层、绝缘金属导线等构件。

4.架空明线

• 安装简单、但通信质量差、受气候影响较大

2.3.2非导引型传输媒体

利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信

无线传输所使用的频段很广：LF~THF（30kHz~3000GHz）

2.3.2.1.无线电微波通信

• 微波的频率范围：300MHz~300GHz(波长1m~1mm)，主要使用：2~40GHz

• 在空间主要是直线传播

  • 地球表面：传播距离受到限制，一般只有50km左右

• 基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方。

• 多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是多径效应

• 误码率(即比特错误率)不能大于可容许的范围

  • 对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率就越低。

  • 对于同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率也更高。

  • 如果用户在进行通信时不断改变自己的地理位置，就会引起无线信道特性的改变，因而信噪比和误码率都会发生变化。

2.3.2.2.远距离微波通信：微波接力

中继站把前一站的信号放大后再发送到下一站

• 主要特点

  • 微波波段频率很高，频段范围很宽，其通信信道的容量很大。

  • 工业千扰和天电干扰对微波通信的危害小，微波传输质量较高

  • 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于实施.

• 主要缺点

  • 相邻站之间必须直视 (常称为视距LOS(Line Of Sight)) ，不能有障碍物，存在多径效应

  • 有时会受到恶劣气候的影响。

  • 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差

  • 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

2.3.2.3.卫星通信

通信卫星实际上是一个微波接力站，用于两个或多个地球站或地面站的地面微波发送器/接收器连接起来

• 主要特性

  • 卫星使用上下行两个频段:接收一个频段(上行)上的传输信号，放大或再生信号后，再在另个频段(下行)上将其发送出去。

  • 卫星主要应用:电视广播、长途电话传输和个人用商业网络。

  • 卫星传输的最佳频率范围为1GHz~10 GHz。

• 主要特点

  • 通信容量大，通信距离远，通信比较稳定。

  • 通信费用与通信距离无关传播时延较大

  • 在250~300 ms之间。

  • 保密性相对较差。造价较高。

2.3.2.4.无线局域网使用的ISM频段

• 无线局域网:使用无线信道的计算机局域网

• 无线电频段:通常必须得到无线电频谱管理机构的许可证

• ISM 频段: 可以自由使用。

2.3.2.5.红外线

红外线传输不能超过视线范围，距离短。

• 红外线传输无法穿透墙体

• 微波系统中遇到的安全性和干扰问题在红外线传输中都不存在

• 红外线不需要频率分配许可

2.3.2.6.光波

频率更高的光波，主要指非导向光波，而非用于光纤的导向光波

• 提供非常高的带宽，成本也很低，相对容易安装，而且与微波不同，不要求FCC许可。

• 激光的强度(非常窄的一束光)是它的弱点，不易瞄准。

• 激光束不能穿透雨或者浓雾，白天太阳热量使气流上升也会造成激光束产生偏差

2.4信道复用技术

2.4.1频分复用、时分复用和统计时分复用

复用是通信技术中的基本概念

2.4.1.1频分复用FDM

• FDM：Frequency Division Multiplexing

• 最基本

• 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

• 所有用户在同样时间占用不同的带宽（即频带）资源

2.4.1.2时分复用TDM

• TDM：Time Division Multiplexing

• 时分复用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出现的（其周期就是TDM帧长度）

• TDM信号也称为等时（isochronous）信号

• 所有用户在不同时间占用相同的频带宽度

2.4.1.3频分多址和时分多址

1.频分多址

• 可以让N个用户使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这N个频带

  • 这种方式称为频分多址接入FDMA（Frequency Division Multiplexing Access）

  • 简称为频分多址

2.时分多址

• 可以让N个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这N个时隙

  • 这种方式称为时分多址接入TDMA（Time Division Multiplexing Access）

  • 简称为时分多址

复用器和分用器成对的使用。

时分复用会导致信道利用率不高。

2.4.1.4统计时分复用STDM

统计时分复用STDM(Statistic TDM)

• STDM是对TDM的改进，它能够明显的提高信道的利用率

• STDM又称为异步时分复用，TDM则称为同步时分复用

• 使用统计时分复用的集中器也叫做智能复用器

2.4.2波分复用WDM

• 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

• 光复用器：在波分复用中又称为合波器

• 光分用器：在波分复用中又称为分波器

2.4.3码分复用CDM（Code Division Multiplexing）

码分复用CDM

• 每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信

• 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰

• 当码分复用CDM信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址CDMA

  • 这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力

  • 采用CDMA可以提高通信的话音质量和数据传输的可靠性，减少干扰程度，增大通信系统的容量，降低手机的功率等

1.码分多址CDMA工作原理

• 每一个比特时间划分为m个短的间隔，就成为码片（chip）

• 为每个站指派一个唯一的m bit码片序列

  • 发送比特1：发送自己的m bit码片序列

  • 发送比特0：发送该码片序列的二进制反码

• 码片序列实现了扩频

• 要发送信息的数据库率=b bit/s ，实际发送的数据率 = mb bit/s ，同时，所占用的频带宽度也提高到原来的m倍

• 扩频通常由两类

  • 直接序列扩频DSSS（Direct Sequence Spread Spectrum）

  • 跳频扩频FHSS（Frequency Hopping Spread Spectrum）

2.码分多址CDMA的重要特点

• 每个站分配的码片序列：各不相同、且必须相互正交

  • 正交：向量S和T的规格化内积为0

  • 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1

  • 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1

2.5数字传输系统

2.5.1.早期数字传输系统存在着许多缺点

• 速率标准不统一

  • 两个互不兼容的国际标准

  • 北美和日本的T1速率

  • 欧洲的E1速率

• 不是同步传输

  • 主要采用准同步方式

  • 各支路信号的时钟频率有一定的偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦

2.5.2.SONET

• 为了解决早期数据传输系统的问题，美国在1988年提出了一个新的数据传输标准，叫做同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network)

  • 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(原子钟)。

  • 为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构

    • 传输速率以51.84 Mbit/s 为基础。对电信信号称为第1级同步传送信号 STS-1(Synchronous Transport Signal)，对光信号则称为第1级光载波 OC-1(OpticalCarrier)。

    • 现已定义了从 51.84 Mbit/(即 OC-1)到9953.280 Mbit/s(即 OC-192/STS-192的标准。

2.5.3.SDH

• 同步数字系列 SDH(Synchronous Digital Hierarchy)

  • ITU-T以美国标准SONET 为基础，制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，这两个标准是一样的。

  • 与SONET 的主要不同

    • SDH的基本速率为155.52 Mbit/s，称为第1级同步传递模块(SynchronousTransfer Module)，即 STM-1，相当于SONET 体系中的 OC-3 速率

2.5.4.SONET/SDH 标准的意义

• 定义了标准光信号，规定了波长为 1310 nm 和1550nm的激光源。

• 在物理层定义了帧结构。

• 使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一。

• 已成为公认的新一代理想的传输网体制

• SDH标准也适合于微波和卫星传输的技术体制

2.6宽带接入技术

宽带：标准在不断提高

从宽带接入媒体来看，划分为2类：

• 有线宽带接入

• 无线宽带接入

2.6.1 非对称数字用户线ADSL

2.6.1.1.ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)

• DSL 是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写，A是非对称（Asymmetric）

• 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0~4kHz 低端频谱留给传统电话使用，把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

  • 标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率超过1MHZ。

• ADSL的ITU 的标准: G.992.1 (或称G.dmt)

• 非对称:

  • 下行 (从ISP 到用户) 带宽远大于上行 (从用户到ISP) 带宽。

• ADSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系

  • 用户线越细，信号传输时的衰减就越大。

  • 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

2.6.1.2.ADSL调制解调器

• 采用离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone) 调制技术

• DMT 调制技术采用频分复用FDM 方法

  • 把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道而249个子信道用于下行信道。

  • 每个子信道占据4KHz 带宽(严格讲是4.3125kHz)，并使用不同的载波(即不同的音调)进0行数字调制。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。

2.6.1.3.ADSL的数据率

• 由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同)，因此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。

• 当ADSL启动时，用户线两端的ADSL 调制解调器就测试可用频率、各子信道受到的千扰情况，以及在每个频率上测试信号的传输质量。

• ADSL 不能保证固定数据率

  • 对于质量很差的用户线甚至无法开通

  • 通常下行数据率在 32kb/s 到 6.4Mb/s 之间

  • 通常上行数据率在 32kb/s 到 640kb/s 之间

2.6.1.4.ADSL的组成

• 数字用户线接入复用器DSLAM

• 接入端单元ATU

• 分离器

2.6.1.5.xDSL的常见类型

• SDSL(Single-line DSL): 对称数字用户线。

• HDSL(High speed DSL): 高速数字用户线

• VDSL(Very high speed DSL): 甚高速数字用户

• RADSL(Rate-Adaptive DSL) 速率自适应DSL，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率。

• Giga DSL: 超高速数字用户线

2.6.2光纤同轴混合网（HFC网）

• 光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)是在有线电视网CATV的基础上开发的居民宽带接入网。

• HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务

  • 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网将原CATV网中的同轴电缆主部分改换为光纤，使用模拟光纤技术

  • 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN(OpticalDistribution Node).

  • 在光纤结点光信号被转换为电信号，在光纤结点以下是同轴电缆。

• 用户接口盒 UIB(Userlnterface 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，其工作比ADSL 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。

• 虽然HFC的调制解调器速度更快，但是由于 HFC 是共享带宽，因此在实际使用中速度是不确定的。

2.6.3FTTx技术

FTTx(光纤到......)是一种实现宽带居民接入网的方案。

1.光配线网 ODN(Optical Distribution Network):

位于光纤干线和广大用户之间,无源的光配线网常称为无源光网络 PON (Passive Optical Network).

• 采用波分复用 WDM，上行和下行分别使用不同的波长。

• 2种最流行的无源光网络 PON(Passive Optical Network):

  • 以太网无源光网络EPON(Ethernet PON)

    • 在链路层使用以太网协议，利用 PON 的拓扑结构实现以太网的接入。

    • 与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便。口

  • 吉比特无源光网络 GPON (Gigabit PON)

    • 采用通用封装方法 GEM(Generic Encapsulation Method)，可承载多业务，且对各种业务类型都能够提供服务质量保证，总体性能比EPON好。

    • 成本稍高。