第二章 物理层

Q&A

  • Q1:为什么有统计时分复用?
    A:统计时分复用STDM(Statistic TDM)时一种改进的时分复用,能明显地提高信道的利用率。STDM帧不是固定分配时间间隙,而是按需动态分配时隙。

  • Q2:频分复用和波分复用关系。
    A:波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)。其使用一根光纤同时传输多个载波信号。

  • Q3:*** CMDA如何理解?
    A:码分复用CDM(Code Division Multiplexing)时一种共享信道方法。CDMA(Code Division Multiple Access)即码分多址
    码分多址

    • 同频带,异码型,不干扰。
    • 抗干扰,白噪声,不发现。
      码片序列(chip sequence)
      • 每一个比特时间划分为m个短间隔->码片(chip)
      • 每一个站点指派唯一m bit码片序列:
      if(要发送比特1)
            发送m bit码片序列
      else if(要发送比特0)
            发送码片序列的二进制反码
      
      • 例如,S站8 bit码片序列为11101101
        按照惯例将0写作-1,1写作+1,则
         if(发送比特1)
            发送(+1 +1 +1 -1 +1 +1 -1 +1)
        else if(发送比特0)
            发送(-1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 -1)
        
      • 码片必须各不相同互相正交(orthogonal)

    例题:2-16 共有 4 个站进行码分多址 CDMA 通信。4 个站的码片序列为:

    站点 码片序列
    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)

    现收到这样的码片序列:

    S (-1 +1 –3 +1 -1 –3 +1 +1)

    问哪个站发送数据了?发送数 据的站发送的 1 还是 0?
    解:

    S·A=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1, A 发送 1
    S·B=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1, B 发送 0 
    S·C=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0, C 无发送 
    S·D=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1, D 发送 1
    
  • Q4:什么叫宽带网络?
    A:双向速率之和大于200kbit/s。至2015年1月,下行25Mbit/s,上行3Mbit/s。

  • Q5:ADSL是什么?她有什么特点?
    A:非对称数字用户线ADSL(Aysmmetric Digital Subscriber Line)时用数字技术对现有模拟电话进行改造,使其承载数字业务。

    • 下行带宽(从ISP(Internet Service Provider)到用户)远大于上行宽带(从用户到ISP)

2.1 物理层的基本概念

物理层的协议常称为物理层规程(procedure)
物理层的主要任务:确定与传输媒体的接口相关的一些特性,即

特性 指明
机械特性
电气特性
功能特性
过程特性

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

源系统->传输系统->目的系统
源系统一般包括以下两个部分:

  • 源点
  • 发送器

目的系统一般也包括以下两个部分:

  • 接收器
  • 终点

术语

名称 解释
消息(message) 通信目的是传送消息。如文本图像都是消息
数据(data) 数据是运送消息的实体
信号 模拟信号(连续信号)、数字信号(离散信号)
码元 代表不同离散数值的基本波形就称为码元

2.2.2有关信道的几个基本概念

信道名称 说明
单向通信(单工通信)
双向交替通信(半双工通信)
双向同时通信(全双工通信)

信道(channel):像某一个方向传输信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道。

信道名称 说明
单向通信(单工通信)
双向交替通信(半双工通信)
双向同时通信(全双工通信)

(1)常用编码方式

制式 方式
第二章 物理层_第1张图片

(2)基本的带通调制(modulation)方法

方法 特性
调幅AM 同下顾名思义
调频FM 同下顾名思义
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

奈式准则

1924年,奈奎斯特(Nyquist)推导出了著名的奈氏准则。他提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。

奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式:
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
这里W是理想低通信道①的带宽,单位为赫(Hz);
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.
上式就是著名的奈氏准则.奈氏准则的另一种表达方法是: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.

2-06 数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制?信噪比能否任意提高?香农公式在数 据通信中的意义是什么?“比特/秒”和“码元/秒”有何区别? 答:限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个:
(1)在任何信道中,码元传输速率是有上限的,传输速率超过此上限,就会出现严重 的码元间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。
(2)由于噪声会使接收端对码元的判决产生错误(1 判决为 0 或 0 判决为 1)。所以信 噪比要限制在一定范围内。由香农公式可知,信息传输速率由上限。
信噪比越大,量化性能越好;均匀量化的输出信噪比随量化电平数的增加而提高;非均 匀量化的信号量噪比,例如 PCM 随编码位数 N 指数规律增长,DPCM 与频率有关等。但实际 信噪比不能任意提高,都有一定限制。例如增加电平数会导致接收机的成本提高,制作工艺 复杂等。
香农公式的意义在于: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方法来实现无差错的传输。

信噪比

2-08 假定要用 3kHz 贷款的电话信道传送 64kb/s 的数据(无差错传输),试问这个信道应 该具有多高的信噪比(分别用比值和分贝来表示),这个结果说明什么问题?
答:S/N=3x1024Hz/64kb/s=64.2dB 是个信噪比很高的信道

香农公式

信道的极限信息传输速率C是
C=Wlog2(1+S/N) bit/s

符号 含义 单位
C 极限信息传输速率
bit/s
W 信道带宽 Hz
S 平均功率
N 高斯噪声功率

2-09 用香农公式计算一下:假定信道带宽为 3100Hz,最大信息传输速率为 35kb/s,那么 若想使最大信息传输速率增加 60%。问信噪比 S/N 应增大到多少倍?如果在刚才计算出的基 础上将信噪比 S/N 再增大到 10 倍,问最大信息传输速率能否再增加 20%

答:奈氏准则:每赫带宽的理想低通信道是最高码元传输速率是每秒 2 个码元。香农公式则 表明了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。根据香农公式, 计算信道的极限信息传输速率 C 为:C=log2(1+S/N)b/s;根据公式,可以计算出,信噪比 S/N 应增大到 100 倍。如果在此基础上将信噪比 S/N 再增大 10 倍,最大信息速率只能再增加 18.5% 左右。

Q:如何提高信息传输速率?A:让每一个码元携带更多比特的信息量

2-07 假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为 2000 码元/秒。如果采用振幅调制,把 码元的振幅划分为 16 个不同等级来传送,那么可以获得多高的数据率(b/s)?
答:80000 b/s

2.3.1导引型传输媒体

媒体名称 说明
双绞线
同轴电缆
光缆 单模光纤优且贵于多模光纤

2.4信道复用技术

复用(multiplexing):是通信技术中的基本概念,允许用户使用一个共享信道进行通信,降低成本,提高利用率。

三种主要服用方式

复用类型 说明
频分复用FDM 将用于传输信道的总带 宽划分成若干个子频带(或称子信道),每一个子信道传输 1 路信号。
时分复用TDM 将提供给整个信道传输信息 的时间划分成若干时间片(简称时隙),并将这些时隙分配给每一个信号源使用,每 一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。
统计复用STDM 使用STDM帧传送数据。动态分配时隙
第二章 物理层_第2张图片
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