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物理层

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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。

用于物理层的协议也常称为物理层 规程 (procedure)。

作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

确定传输媒体接口的一些特性。

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

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信号相关术语

  • 消息(message)
    • 如话音、文字、图像、视频等。
  • 数据 (data)
    • 运送消息的实体。有意义的符号序列（如二进制数据）。
  • 信号 (signal)
    • 数据的电气的或电磁的表现（在电线/网线中的形式）。
    • 模拟信号 (analogous signal)：消息的参数的取值是连续的。
    • 数字信号 (digital signal)：消息的参数的取值是离散的。
  • 码元
    • 在使用时间域（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。
    • 使用二进制编码时，只有两种不同的码元： 0 状态，1 状态。
    • 比如，规定四个长波形表示0，四个短波形表示1，那么这些四个四个的波形组合就是码元

信道相关术语

  • 信道
    • 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
    • 可单向，可双向交替，可双向同时（名称中的“向”可改为“工”）
    • 分数字信道和模拟信道
  • 基带信号（即 基本/basic 频带信号）
    • 来自信源的信号
    • 未处理的，最原始的，包含有较多的低频成分，甚至有直流成分。
    • 注意既有数字的也有模拟的，比如输入的声音信号即基带模拟信号
  • 调制 (modulation)
    • 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。
      • 把这种过程称为编码 (coding)。
    • 带通调制：使用载波 (carrier)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。
      • 经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

上面调制的说法很绕，实际上调制和编码应该分开

  • 编码出来的是数字信号
  • 调制出来的是模拟信号

常用编码方式

自同步能力是指从信号波形本身中提取信号时钟频率的能力

  • 不归零制
    • 正电平代表 1，负电平代表 0，无自同步能力，比如你无法确定一段正电平有几个 1
  • 归零制
    • 正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
    • 0 信号存储了时钟信号，能自同步，但是浪费了信号
  • 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，即看中心往哪跳变
    • 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，即看边界有没有跳变

曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

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常用调制方法

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。

  • 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。

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上面码元只有2个，一个码元只能表示一个比特，效率太低了

正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

一种多元制的振幅相位混合调制方法

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即，如果一类码元一共有N种状态，那么其每个码元能携带的数据量为 \(log_2N\) bit

信道的极限容量

码元数量多了可能导致失真严重，这与信道的极限容量有关

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。

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  • 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。

信道能够通过的频率范围

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限，即分不清哪个是哪个码元了。

奈氏准则：在带宽为 W (Hz) 的低通信道中，不考虑噪声影响，码元传输的最高速率 = 2W 码元/秒。

注意，这里单位是码元/秒，即波特率（码元传输速率），实际数据传输速率还要乘上每个码元能携带多少比特

传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题。

信噪比

信号平均功率 和 噪声平均功率 的比值，常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。

信噪比反映 ，但不完全等于其比值： $$ 信噪比(dB) = 10 log_{10}(S/N ) (dB) $$

注意题目给信噪比，让你用香浓公式计算时，要先求出 S/N，才带入香浓公式

香农公式

信道的极限信息传输速率 C 可表达为 $$ C = W log_2(1+S/N) (bit/s)\W 信道的带宽 (Hz)；\ S 为信道内所传信号的平均功率；\ N 为信道内部的高斯噪声功率。 $$

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。

用奈式准则和香农公式主要看是不是无噪声环境

传输媒体

传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

  • 导引型传输媒体：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：指自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

导引型传输媒体

双绞线

把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合 (twist) 起来就构成了双绞线。

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

最古老但又最常用的传输媒体，我们常说的“网线”就是这种线

绞合度越高，可用的数据传输率越高。

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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。

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光缆

光纤是光纤通信的传输媒体。通过传递光脉冲来进行通信。其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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非导引型传输媒体

多径效应

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，这就是所谓的多径效应。

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信道复用技术

复用 (multiplexing) ：允许多个用户使用共享一个信道进行通信。

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

最基本的

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。

所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源。

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让 N 个用户各使用一个频带，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 Multiple Access)，简称为频分多址。

时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)

目前常用的

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。所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。

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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 Multiple Access)，简称为时分多址。

时分复用会导致信道利用率不高

统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙，因此可以提高线路的利用率。

波分复用

波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) 用于实现光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

码分复用

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

当码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

CDMA 工作原理

将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)

  • 为每个站（用户）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。

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