第二章物理层
作者：互联网
0.本章思维导图
1.物理层的基本概念
物理层的功能：怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异
规程：用于物理层的协议
传输媒体接口的特性：
(1)机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等 (2)电气特性：接口电路的各条线上出现的电压范围 (3)功能特性：某条线上出现某一电平电压的意义 (4)过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
2.数据通信的基础知识
2.1 数据通信系统模型:
数据通信系统划分：源系统、传输系统、目的系统
源系统的内容： 源点：源点设备产生要传输的数据 发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中传输；如调制器 接收器：结束传输系统发送来的信号，并转换成能被目的设备处理的信息；如解调器 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出
常用术语： 消息：通信的目的是传送消息，如语音、文字、图像、视频等 数据：是运送消息的实体；使用特点方式表示的信息，通常是有意义的符号序列 信号：数据的电气或电磁表现 模拟信号(连续信号)：代表消息的参数取值是连续的 数字信号(离散信号)：代表消息的参数的取值是离散的 码元：代表不同离散数值的基本波形
2.2有关信道的基本概念
信道：表示向某一个方向传送信息的媒体
*信息交互的方式： (1)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；只需要一条信道 (2)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，而是一方发送另一方接收，一段时间后可以反过来；两条信道 (3)双向同时通信(全双工通信)：通信双方可以同时发送和接收信息；两条信道；传输效率最高
基带信号：来自信源的信号；如计算机输出的代表文字或图像的数据信号都是基带信号
调制分类： 基带调制(编码)：仅对基带信号的波形进行变换，使其能与信道特性相适应，变换后的信号仍是基带信号 带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围移到较高频段，并转换为模拟信号，变换后的信号称为带通信号
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)曼切斯特编码：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；也可反过来定义
(4)差分曼切斯特编码：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，位开始边界没有跳变代表1
基本的带通调制方法：
(1)调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化；如0或1分别对应无载波或有载波输出
(2)调频：载波的频率随基带数字信号而变化；如0或1分别对应频率f1或f2
(3)调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化；如0或1分别对应于相位0度或180度
2.3信道的极限容量
限制码元在信道上传输速率的因素：
(1)信道能够通过的频率范围： 码间串扰：信号中高频分类受到衰减，在接收端收到的波形前沿和后沿不那么陡峭，每个码元所占时间界限不明确，失去了码元间的清晰界限的现象 奈氏准则：在任何信道，码元传输的速率是有上限的，超过上限就会出现严重的码间串扰，使接收端对码元无法识别
(2)信噪比： 定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记作S/N 
香农公式：信道的极限信息传输速率C是 
其中W为信道带宽，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 香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高 香农公式的意义：只要信息传输速率低于信道的极限速率，就一定存在某种方法来实现无差错的传输
3.物理层下面的传输媒体
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
传输媒体的分类： 引导型：电磁波被引导沿着固体媒体传播 双绞线 同轴电缆 光纤 非引导型：电磁波无线传输
4.信道复用技术
*4.1频分复用、时分复用、统计时分复用
复用：允许用户使用一个共享的信道进行通信，降低成本，提高利用率
频分复用：
原理：用户在分配到一定频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带
特点：所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽
时分复用：
原理：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)，每个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙
特点：所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度 
统计时分复用：
原理：使用STDM帧来传送复用的数据，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数；各用户有数据就发往集中器的输入缓存，集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中，没有数据的缓存就跳过，当一个帧放满即发送，因此STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙
某用户占用的时隙不是周期性出现的，因此统计时分复用又称为异步时分复用；而时分复用又称为同步时分复用 
4.2波分复用
波分复用：
原理：就是光的频分复用，使用同一根光纤同时传输多个光载波信号
4.3码分复用
码分复用(码分多址)：
原理：各个用户使用进过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会互相干扰
码片：每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片
工作方式： 每个站被指派一个唯一的mbit码片，若发送1，则发送自己的m bit码片若发送0，则发送该码片的二进制反码
码片实现扩频：由于一个比特可转换成m个比特的码片，因此实际发送数据率提高了m倍
重要特点：每个站的码片必须各不相同，并相互正交
码片正交关系：不同码片正交，就是向量S和T的规格化内积为0，（规格化内积即对应为相乘）
正交关系的重要特征：任何码片与自己的规格化内积为1，与自己反码的规格化内积为-1
例2-16：共有四个站进行码分多址通信，四个站的码片序列分别为
A(-1-1-1+1+1-1+1+1) B(-1-1+1-1+1+1+1-1) C(-1+1-1+1+1+1-1-1) D(-1+1-1-1-1-1+1-1) 现收到这样的码片:(-1+1-3+1-1-3+1+1)，问哪些站发送了数据，发送的是0还是1
解：
A站的内积：(-1-1-1+1+1-1+1+1)(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1
B站的内积：(-1-1+1-1+1+1+1-1)(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1
C站的内积：(-1+1-1+1+1+1-1-1)(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0
D站的内积：(-1+1-1-1-1-1+1-1)(-1+1-3+1-1-3+1+1)/8=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1
所以A、D站发送了1，B站发送了0，C站没有发送
5.数字传输系统
早期数字传输系统的缺点：
(1)速率标准不一(2)不是同步传输
现代的传输网络的传输媒体：光纤
同步光纤网(SONET)：各级时钟都来自一个非常精确的主时钟，为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构
同步数字系列(SDH)：由sonet为基础发展的国际标准
6.带宽接入技术
ADSL技术：非对称数字用户线，将原有的模拟电话线进行改造，使其能够承载宽带业务，将0-4k的低端频谱留给电话使用，将剩余部分给宽带使用，其中上行带宽小于下行带宽
传输距离：与数据率和用户线的线径(粗细)有关
传输速度：与实际用户线的信噪比密切相关
数据率：采用自适应调制技术使用户线能够传输尽可能多的数据，受环境和线路条件影响较大
特点：上行和下行带宽不对称、需要在用户线两端各安装一个调制解调器
第二代ADSL：得到更高的数据率，采用无缝速率自适应技术，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应的调整数据率
光纤同轴混合网(HFC)：是目前覆盖面较广的有线电视网，采用模拟技术，频分复用，主干部分使用光纤，入户部分使用同轴电缆
FTTx技术：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
无源光网络PON：为有效利用光纤资源，在光纤干线和用户之间使用无源光网络PON。无源光网络无须配备电源，长期运行和管理成本低。 最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON
习题
2.1 物理层解决的主要问题：
（1）尽可能屏蔽物理设备和传输媒体
（2）怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
2.2规程与协议的区别：规程就是指物理层的协议
2.7假定某信道受奈氏准测限制，最高码元速率为20000码元/s，采用振幅调制，把码元的振幅划分成16个不同等级来传送，求最高能获得的数据率
16种状态用4bits表示，码元速率为20000码元/s，每个码元能表示4bits，故答案为20000*4
2.8假定要用3KHz带宽的电话信道传送64kb/s的数据，试问这个信道应具有多高的信噪比
C=Wlog(1+S/N)，其中，W=3khz，C=64kb/s
所以，1+S/N=2(64/3)，S/N=2.64*106，(S/N)=10log10(2.64*10^6)=64.2db
2.9用香农公式计算，假定信道带宽为3100Hz，最大信道传输速率为35kb/s，若使最大信道传输速率增加60%，求信噪比S/N应增大多少倍？
C=Wlog(1+S/N)
35000=3100log(1+S/N)
S/N=2^(350/31)-1=2505
350001.6=3100log(1+xS/N)
x=109.396
所以应增大109倍
2.11假定一种双绞线衰减使0.7db/km，若容许由20db的衰减，试问使用这种双绞线的链路工作距离有多长？如果工作距离要增大到100km，应使衰减降低到多少？
(1) 20/0.7=28.6km
(2) 20/100=0.2db
2.12计算工作在1200nm到1400nm之间以及工作在1400nm到1600nm之间的光波的频带宽度,光速为210^8m/s
V=V/L1 - V/L2
1200nm~1400nm：带宽=2108/1200*10-9 - 2108/1400*10-9=23.8Thz
1400nm~1600nm：带宽=2108/1400*10-9 - 2108/1600*10-9=17.86Thz
*13.为什么使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？
解：
为了实现共享信道、最大限度提高信道利用率
频分、时分、码分、波分
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