第二章：物理层

物理层的基本概念

首先我们需要知道的是，类似图片和声音等数据不能直接在计算机之间传播的，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。
这样做的目的是：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

物理层的协议一般也被叫做物理层规程。

物理层的主要任务

:::info 💡物理层的主要任务就是：确定与传输媒体的接口的一些特性。 ::: 其中四个特性分别为：

• 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的意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

整个通信系统实际就三个部分：

• 发送方（源系统）
• 传送系统
• 接收方（目的系统）

源系统和目的系统

源系统中包含以下内容：

• 源点：产生需要传输数据的设备（例如计算机）
• 发送器：源点生成的数字比特流需要通过发送器编码之后才可以在传输系统中进行传输。（例如这里的调制调节器）

  不过现在的计算机其实已经内置调制调节器了。

同样目的系统也包含这两个部分：

• 终点：接收传输数据的设备

• 接收器：接收系统传输过来的信号，并把它转为能够被目的处理设备处理的信息

  消息和数据

• 消息：通信实际上传送的就是消息，比如图像、文字、声音、视频，这些都是消息。

• 数据：数据指的是运送消息的实体。本质上是有意义的符号序列。

消息

数据

可以简单理解为消息就是我需要发送的信，而数据就是带着信封的信。

模拟信号和数字信号

信号一般分为两种：

• 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的。
• 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的。

在计算机中实际传输的是数字信号。也就是说在通信系统中，信号的转换为模拟信号->数字信号->模拟信号。 :::info 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。
计算机之间的通信都是以码元为单位。 ::: 注意：不同的编码形式下码元的表示范围也不一样

例如二进制编码中，只有两种不同的码元： 0 状态，1 状态。

信道的基本概念

基本概念

:::info 💡信道：一般用来表示向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，没有反方向的交互。

• 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送（当然也就不能同时接收）。

• 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

• 基带信号（即基本频带信号）：

  • 来自信源的信号
  • 包含有较多的低频成分，甚至有直流成分。

    基带信号本质上是用来表示一种信号在时间和幅度上变化的波形，它是信号处理的起点。 基带信号不能直接传输，就像模拟信号不能直接传输一样，需要通过调制才可以发送到远处。

• 调制

  • 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）。

    简单来说，基调调制就是编码，带通调制就是调频。

常用编码方式

• 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。

  这个也是最基本的编码方式。

• 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。

  简单的理解就是**1**的时候中间向上凸，**0**的时候向下凹。

• 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。但也可反过来定义。

  简单理解为：1：▔▔|，0：|▔▔，也可以反过来定义。 所谓跳变就是**从0忽然变成1**或者反过来。

• 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。

  这种编发方式需要看边界是否有跳变，例如这里的例子： 第一个1：▔▔|，由于第二个信号是0，所以边界需要跳变，一直到第三个信号0也是▔▔|。 第五个信号是1，此时不需要跳变，所以此时是__|▔▔ 简单来说：如果是1，就延续上一个信号的后半段，如果是0就跳变。

下面是几个需要注意的地方： :::info 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。
自同步能力：（描述的是是否能从波形信号本身提取信号时钟频率）

• 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。 :::

  信号频率是指信号中的周期性变化重复出现的次数。

基本带通调制方式

• 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。

  初始相位是指在周期信号的第一个周期内，任意时刻信号相位的值。

信道的极限容量

这里首先需要讲一下为什么信道传输更适合传送数字信号。
因为信号在传输的总归会失真，也就是说多多少少丢失一部分数据，但是只要能从失真的波形中能识别出原来的信号，这种失真的影响就可以忽略不记了：

当然失真过于严重还是不行的。

在通信系统中，噪声是指在信号传输过程中加入的随机干扰。所以为了保证信号的准确性，应该尽量使得噪声减少。
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。

  信道能够通过的频率范围

  :::info 💡在带宽为 W (Hz) 的低通信道中，若不考虑噪声影响，则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。
  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。 ::: 这一个准则也叫做奈氏准则：
  码元传输的最高速率 = 2W （码元/秒）

  信噪比

  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：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 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。

  注意这里的码元和比特的区别。 码元：通常是一组由0或1构成的符号 比特：表示二进制数字0或1的数值 也就是说一个码元可以包括多个比特。

:::info 💡信道的带宽或者信道中的信噪比越大，信息的极限频率越高。 ::: 前面提到过，计算机之间通信都以码元为单位，所以如果想要提高信息的传输速率的一个方法就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
例如：

M1发送的码元就是φ。

需要注意的是，这种方法是有局限的，如果让一个码元包含过多的比特，会让最后的解码变得十分困难甚至无法实现。所以码元包含的比特数不能够无限提高。

两个公式的意义

• 奈氏准则：激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。
• 香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

物理层下面的传输媒体

:::info 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。 ::: 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：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

  双绞线是最古老但又最常用的传输媒体。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。
  
  绞合度越高，可用的数据传输率越高。

无论是哪种类别的双绞线，衰减都随频率的升高而增大 双绞线的最高速率还与数字信号的编码方法有很大的关系

同轴电缆

由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。

具有很好的特性，被广泛用于传输较高速率的数据，

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。

光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射

• 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。
  • 光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，只适合于近距离传输。
• 单模光纤
  • 其直径减小到只有一个光的波长（几个微米），可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。
  • 制造成本较高，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。

光纤的优点：
(1) 通信容量非常大
(2) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
(3) 抗雷电和电磁干扰性能好
(4) 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据
(5) 体积小，重量轻

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，因此将自由空间称为“非导引型传输媒体”。

信号在空间主要是直线传播

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。

信号从 1→2 和 3→4→5→6 两条路径到达手机。

误码率

:::info 误码率指在数字通信中，接收到的比特流与发送时的比特流不同导致出现错误比特的比率。通常以百万分之几或千万分之几来表示。误码率是衡量数字通信系统性能的重要指标之一。 :::

上图中不同线段表示的是不同的调制技术

从图中可以看出：

• 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。

  微波接力

  无线通信一般直接传送的距离不会很远，所以需要中继站。
  微波接力：中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。
  
  

💡信道复用技术

:::info 💡复用 (multiplexing) ：允许用户使用一个共享信道进行通信。 :::

频分复用、时分复用和统计时分复用

频分复用（FDM）

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。

时分复用（TDM）

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地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。

其中ABCD表示的是四个主机。他们周期性的占用整个带宽。

时分复用会导致信道利用率不高，具体原因如下图所示：

整个时间线分成了四个时段，分别对应的就是#1``#2``#3``#4。由于时分复用会严格按照四个用户进行周期性的划分，所以每个时段都会分配给四个用户时隙。但是很明显，比如在时段#1的时候，只有用户AB有数据需要发出。而时分复用还是给CD两个用户分配了时隙，就导致在#1上其实有两个时隙是空闲的没有被利用。其余时段同理。

复用器和分用器

复用器：将多个信号混合到一个物理信道上进行传输，实现对传输信道的有效利用
分用器：将一个物理信道中多路信号分离出来，使其传输到目标设备
在复用器和分用器之间的是告诉通信通道。

复用器和分用器都是成对使用的

统计时复用（STDM）

针对时分复用的信道利用率不高的缺点，就有了统计时分复用（STDM）。这种复用方法的核心是按需动态地分配时隙。

很明显相对时分复用，在分配时隙的时候会多加一层集中器，利用集中器动态分配时隙从而提高线路利用率。

波分复用（WDM）

前面讲的几个复用都是针对电子信号的复用，而波分复用就是对于的光的频分复用。
在波分复用系统中，可以将一根单模光纤分成若干个频带，每个频带内分别携带一个独立的数据通道。这些通道使用不同的激光光源发出不同波长的光信号，经过光纤传输到目的地后，通过解复用器对这些光信号进行解析，将各自的信号提取出来进行处理。

码分复用（CDM）

什么是码分复用

码分复用可以让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 (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)。

简单的来说，码分复用是将多个不同的信号先混合，再一起同时传输，最后解析出原型号的过程。 就好比你把大米和小米混合在一起进行运输，到了终点再通过筛子分开一样。

码分复用实现扩频

首先将每一个比特时间划分为 m个短的间隔，称为码片 (chip)。
接着为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列。（一般m=8）

• 当这个站需要发送的信号是**1**的时候，发送自己的 m bit 码片序列
• 当这个站需要发送的信号是**0**的时候，发送自己的 m bit 码片序列的反码

例如：S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
1 -> 00011011
0 -> 11100100
将码片序列当中的0替换为-1可以得到码片序列向量：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)。
那么发送端接受到了一个1信号，在接收端接受到了一个1信号，再根据互相约定好的码片序列，实际接受到的数据有000110118位。
所以要发送信息的数据率 = b bit/s，实际发送的数据率 = mb bit/s，同时，所占用频带宽度也提高到原来的 m 倍。 :::info 码片序列实现了扩频。 :::

如何约定码片序列

:::info 💡每个站分配的码片序列：各不相同，且必须互相正交 (orthogonal) ::: 正交：向量 S 和 T 的规格化内积 (inner product) 等于 0

我们可以得到如下性质：

• 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

使用公式简化表达就是：

码分复用的原理

如图所示

发送端直接将多个信号混合相加进行发送，最终发送的信号就是Sx + Tx，其中Sx可以是S，也可以是S的反码。
接收端接受到的信号Sx + Tx，在这个信号的基础上点乘S站的码片序列即可得到：

根据上面讲到的性质，S·T永远等于0，就相当于T站发出的信号实际上就被S这个码片序列过滤了。所以接收端可以只接收到S站发出的真正的信号。

数字传输系统

早期数字传输系统的缺点

• 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（1.544 Mbit/s）
  • 欧洲的 E1 速率（2.048 Mbit/s）。
• 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。

宽带接入技术

宽带定义

:::info 宽带：标准在不断提高。 ::: 宽带的定义实际是根据技术发展变化的，最新美国联邦通信委员会 FCC 定义：
宽带下行速率达 25 Mbit/s，宽带上行速率达 3 Mbit/s。
从宽带接入的媒体来看，划分为 2 大类：

• 有线宽带接入
• 无线宽带接入。

  ADSL技术

  非对称数字用户线 ADSL 技术：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 技术把 0~4 kHz 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。
  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。

其余的都不重要就不写了