第2章 物理层

2.1 物理层的基本概念

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。
• 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
• 用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure）。

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。

• 电器特性：知名在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

• 特种性能：知名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。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方），传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

通信系统的一般模型

常用术语

• 数据（data）——运送消息的实体。

• 信号（signal）——数据的电气或电磁的表现。

  • 模拟信号（analogous signal）——代表消息的参数的取值是连续的。
  • 数字信号（digital signal）——代表消息的参数的取值是离散的。

• 码元 —— 承载信息量的基本信号单位。

  • 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就称为码元。
  • 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为（二进制）码元。
    • 当码元的离散状态M大于2时，称为M进制码元。

2.2.2有关信道的几个基本概念

基本概念

• 信道 —— 一般用来表示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。例子：无线电广播
• 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受）。例子：对讲机
• 双向同时通信（全双工通信）—— 通信的双方可以同时发送和接受信息。例子：电话

基带信号和带通信号

• 基带信号（baseband）——来自信源的信号。向计算机输出的代表各种文集或图像文件的数据信号都数据基带信号。
• 调制（modulation）——调制就是对信号源的信息进行处理加到载波上，

常用编码方式

• 不归零制（Not Return to Zero）：正电平代表1，负电平代表0.电平在整个码元周期保持不变。

• 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.但也可以反过来定义。

• 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。

  

1、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。 2、从自身同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法

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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。

最基本的二元调制方法有以下几种：

• 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）：载波的初相位随基带数字信号而变化。

正交振幅调制QAM

2.2.3信道的极限容量

• 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。

数字信号通过实际的信道

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
• 信噪比

信道能够通过的频率范围

• 具体的信道所能够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。他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。

• 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud

  
  • ​ 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
  • Baud是波特，是码元传输速率的单位，1波特为每秒传送1个码元。

• 理想带通特性信道的最高码元传输速率=W baud

  ​

  • 每赫带宽的理想带同信道的最高码元传输速率是每秒一个码元。

结论

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（即使别）成为不可能。

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。

注意

• 实际的信道所能传输的最高码元传输速率，要明显地低于奈氏准则给出的上限数值。

• 波特（Baud）和比特（bit）是两个不同的概念。

  • 波特是码元传输的速率单位（每秒传送多少个码元）。码元传输速率也成为调制速率、波形速率或符号速率。

  • 比特是信息量的单位。

  • 设码元传输速率为R_B,信息传送速率为R_b。

    ​ 对二进制码元 R_b = R_B

    ​ 对M进制码元 R_b = R_Blog₂M

信噪比

• 噪音存在于所有的电子设备和通信信道中。

• 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。

• 但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对比较小。

• 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。

  • 常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。
  • 即：信噪比（dB）= 10 log₁₀（S/N）（dB）

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

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）。

• 信道的极限信息传输速率C可表达为：

  ​ C = W log₂（1+S/N）（bit/s）

  ​ 其中：W为信道的带宽（以Hz为单位）；

  ​ 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，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。

如何让一个码元携带更多比特？

奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围

2.3 物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也成为传输介质或传输媒介，他就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

• 传输媒体可分为两大类：

  • 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，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。
  

  各种无线传输方式的频率分布

  

2.3.1 引导型传输媒体

1. 双绞线

   • 最常用的传输媒体。

   • 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。

   • 屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）

     • 带金属屏蔽层

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

   

   双绞线标准

   

2. 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。
   • 50Ω同轴电缆——LAN/数字传输常用
   • 75Ω同轴电缆——有线电视/模拟传输常用
   

3. 光缆

   • 光线是光纤通信的传输媒体。
   • 由于可见光的频率非常高，约为10⁸MHz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所各种传输媒体的带宽。

   光线在光纤中的折射

   

   当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。

   

4. 多模光纤和单模光纤

   • 多模光纤

     可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤

   • 单模光纤

     若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可以使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。

   

   光纤优点

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

2.3.2 非引导型传输媒体

• 将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
• 无线传输所使用的频段很广。
• 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

2.4 信道复用技术

复用（multiplexing），合用，共用，是通信技术中的基本概念。

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

• 频分复用（Frequency Division Multiplexing）：是按频率分割多路信号的方法，即将信道的可用频带分成若干不交叠的频段，每路信号占据其中的一个频段。在接收端用适当的滤波器将多路信号分开，分别进行解调和终端处理。

  • 当采用频分复用技术时，所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

  频分复用示意图

  

  频分复用系统原理

  

• 时分复用（Time Division Multiplexing）：是将传输时间划分为若干个互不重叠的时隙，互相独立的多路信号顺序地占用各自的时隙，合路成为一个信号，在同一信道中传输。在接收端按同样规律把它们分开。

  • 当采用时分复用使，所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
  
  • 时分复用可能会造成线路资源的浪费
  
  • 统计时分复用（Statistic TDM）:
  
  • STDM特点：
    • STDM不是固定分配时隙，而是按需分配时隙，可提高线路的利用率。
    • 由于STDM帧中的时隙不是固定地分配给某个用户，因此在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这将产生额外的开销。
    • 统计时分复用又称为异步的时分复用。

2.4.2 波分复用（WDM）

• 波分复用就是光的频分复用

  

2.4.3 码分复用 *(CDM)

• 简介

  • 常用的名词是码分多址CDMA（Code Division Multiple Access）
  • 码分复用CDM（Code Division Multiplexing）是个用户使用经过特殊挑选的不同码型，在同样的时间使用同样的频带进行通信，但彼此不会干扰。
  • 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，不易被敌人发现。

• CDMA的原理

  • 在CDMA中，每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为**码片**（chip）。通常m的值是64或者128，为简单假设m=8。

  • 每个站被指派**一个唯一**的 m bit 码片序列（chip sequence）

    • 如发送比特1，则发送自己的m bit 码片序列
    • 如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

  • 每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须相互正交。

• 实例

  • 例如，S站的 8 bit 码片序列是 0001 1011。

    • 发送比特1时，就发送序列 0001 1011
    • 发送比特0时，就发送序列 1110 0100

  • 为了方便，按惯例将码片中的 0 写为 -1，将 1 写为 +1。

    • S站的码片序列：（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）

  • 若S站信息发送率为 b(bit/s)，则实际码元发送率为 mb(bit/s)，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来的m倍。

• 码片序列的正交关系

  • 令向量S表示站S的码片向量，T表示其他任何码片向量，它们长度都为m个bit。

  • 两个不同站的码片序列正交，指向量S和T的规格化内积（inner product）都是0：
    S ⋅ T ≡ 1 m ∑ i = 1 m S i T i = 0 S\cdot T \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}{S_iT_i} =0 S⋅T≡m1​i=1∑m​Si​Ti​=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。
    S ⋅ S ≡ 1 m ∑ i = 1 m S i S i = 1 m ∑ i = 1 m S i 2 = 1 m ∑ i = 1 m ( ± 1 ) 2 = 1 S\cdot S \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}{S_iS_i} =\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}{S_i^2} = \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}{(\pm1)^2} =1 S⋅S≡m1​i=1∑m​Si​Si​=m1​i=1∑m​Si2​=m1​i=1∑m​(±1)2=1

  • 一个码片向量和该码片反码的规格化内积值是-1。

• 码片序列的正交关系举例

  • 令向量S为（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1），向量T为（-1-1+1-1 +1+1+1-1）
  • 把向量S和T的各分量值带入上述公式就可以看出S和T是正交的。

• CDMA的工作原理示意

  

2.5 数字传输系统

• 背景

  光线刚兴起时，适合高速率和大量重复低速率业务。

• 早期数字传输系统的主要缺点

  • 速率标准不统一（两个标准互不兼容）
    • 北美和日本的T1（1.544Mbit）
    • 欧洲的E1（2.048Mbit）
  • 不是同步传输（准同步）
    • 节约经费
    • 支路信号的时钟有误差，造成时分复用和分用困难

2.6 宽带接入技术

2.6.1 XDSL技术

• 简介

  • DSL就是数字用户线（Digital Subscriber Line）的缩写。而DSL的前缀X则表示在用户线上实现的不同宽带方案。
  • XDSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户先进行改造，使它能够承载宽带业务。
  • 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400kHz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz。
  • XDSL技术就把0~4kHz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。

• XDSL的几种类型

  • ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线。
  • HDSL（High Speed DSL）：高速数字用户线。
  • SDSL（Single-line DSL）：1对线的数字用户线
  • VDSL（Very High Speed DSL）：甚高速数字用户线
  • DSL：ISDN用户线。
  • 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。

• ADSL的极限传输速率

  • 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），而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。
  • 例如，0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mb/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公里。
  • 如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里。

• ADSL的特点

  • 上行和下行的传输速率不一样（即非对称）

    • 上行指从用户到ISP
    • 下行指从ISP到用户

  • ADSL在用户线（铜线）的两端各安装一个ADSL调制解调器额。

  • 我国目前采用的方案时离散多音调DMT（Discrete Multi-Tone）调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

• DMT技术

  • DMT调制技术采用频分复用的方法，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）进行数字调制。这种做法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。

    

• 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的频率、各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
  • ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。
  • 通常下行数据率在32kb/s到6.4Mb/s之间，而上行数据率在32kb/s到640kb/s之间。

• ADSL的组成

  

  用户数字线接入复用器DSLAM（DSL Access Multiplier）

  接入端接单元ATU（Access Termination Unit）

  ATU-C（C代表端局 Central Office）

  ATU-R（R代表远端Remote）

  电话分离器PS（POTS Splitter）

• 第二代ADSL

  ADSL2（G.992.3和G.992.4）

  ADSL2+（G.992.5）

  • 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2要求至少应支持8Mb/s、上行800kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1MHz扩展至2.2MHz，下行速率可达16Mb/s（最大传输速率可达25Mb/s），而上行速率可达800kb/s。
  • 采用了无缝速率自适应技术SRA（Seamless Rate Adaptation），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。
  • 改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

• VDSL技术

  • 第一代VDSL

    • 下行速率：50-55M
    • 上行速率：1.5-2.5M

  • 第二代VDSL

    • 下行速率：100M
    • 上行速率：100M（最大）

• 高速DSL技术新突破

  • 短距离超高速接入

    • 目标：单对铜线100米内提供500M接入速率

  • 华为公司参与了此标准制定

  • 适用情况

    • 欧洲：古建筑受保护，此技术很受欢迎
    • 我国：新楼预留管线，选择余地大，不普遍

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

• HFC（Hybrid Fiber Coax）网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。
• 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网是树型拓扑的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造。
• HFC网络将原CATV网中的同轴电缆主干部分该换为光纤。
• 在模拟光线中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。
• 模拟光纤从头端连接到光纤结点（fiber node），即光分配结点ODN（Optical Distribution Node）。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

HFC网采用结点体系结构

HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带

每个家庭要安装一个用户接口盒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视机。
• 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（cable modem）

• 电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。
• 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在3~10Mb/s之间，最高可达30Mb/s，而上行速率一般为0.2 ~2Mb/s，最高可达10Mb/s。
• 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂的多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。

HFC网的特点

• 最大优点：具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
• 要将现有的450MHz单向传输的有线电视网络改造为750MHz双向传输的HFC网（还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个HFC网的孤岛），也需要相当的资金和时间。
• 在电信政策方面也有需要协调解决的问题。

2.6.3 FTTx技术

• FTTx（光纤到…）一种实现宽带居民接入网的方案。x代表不同的意思。
• 光纤到家FTTH（Fiber To The Home）：光线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）：光线进入大楼后就转换为电信号，然后再用电缆或双绞线分配到各用户。
• 光纤到路边FTTC（Fiber To The Curb）：从路边到各用户可使用星型结构双绞线作为传输媒体。
• 光纤到小区FTTZ（Fiber To The Zone）
• 光纤到楼层FTTF（Fiber To The Floor）
• 光纤到办公室FTTO（Fiber To The Office）
• 光纤到桌面FTTD（Fiber To The Desk）

标签：码元,传输,用户线,计算机网络,传输速率,信道,物理层,光纤
来源： https://blog.csdn.net/weixin_46470694/article/details/120894134