物理层 知识大纲
物理层
- 物理层的基本概念
- 数据通信的基础知识
- 一、典型数据通信模型
- 二、信道
- 基带信号（baseband)
- 带通信号（band pass）
- 调制方法
- 常用编码
- 三、信道的极限容量
- 奈氏准则
- 香农公式
- 奈氏准则和香农公式的应用范围
- 物理层下面的传输介质
- 导向传输媒体
- 非导向传输媒体
- 信道复用技术
- 频分复用（FDM）
- 时分复用（TDM）
- 统计时分复用（STDM）
- 波分复用（WDM）
- 码分复用（CDM）
物理层的基本概念
物理层解决如何在链接各种计算的传输媒体上传输数据比特流,而不止具体的传输媒体。
物理层的主要任务描述为：确定 传输媒体的接口的一些特性
| 特性名称 | 特性内容 |
|---|---|
| 机械特性 | 接口的形状、大小、引线数目 |
| 电气特性 | 例：规定电压的范围 |
| 功能特性 | 例：-5V为0，+5V为1 |
| 过程特性 | 建立连接时各个相关部分的工作步骤 |
数据通信的基础知识
通信的目的是为了传送消息。
一、典型数据通信模型
相关术语
| 术语 | 解释 |
|---|---|
| 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” | 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 |
| 码元（code） | 在使用时间域的波形表示数字型号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元 |
在数字通信中，常用时间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。而这个间隔被称为
码元长度。1码元可以携带nbit的信息量。
二、信道
信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。一般常说的通信道路往往包含一条发送信息的信道和一条接受信息的信道。
| 术语 | 解释 |
|---|---|
| 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 |
| 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（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（baseband)
基本频带信号（来自于信源的信号）。
计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比我们说话的声波就是基带信号
带通信号（band pass）
把基带信号经过载波(carrier)调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
在传输距离较近时，计算机网络采用
基带传输方式。因为在近距离范围内基带信号的衰减不大，因此信号的内容不发生改变。
调制方法
| 基本调制方法 | 解释 |
|---|---|
| 调幅（AM） | 载波的振幅随基带数字信号而改变 |
| 调频（FM） | 载波的频率随基带数字信号而改变 |
| 调相（PM） | 载波的初始相位随基带数字信号而改变 |
常用编码
| 常用编码 | 特性 |
|---|---|
| 单极性不归零码 | 只使用一个电压值，高电平表示1，没电压表示0 |
| 双极性不归零码 | 用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。 |
| 单极性归零码（RZ） | 以高电平和零电平分别表示二进制码1和0，而且在发送码1时高电平在整个码元期间T只持续一段时间 t ，其余时间返回零电平 |
| 双极性归零码 | 正负零三个电平，信号本身携带同步信息 |
| 曼彻斯特编码 | bit中间有信号（低->高，跳变为0；高->低，跳变为1） |
| 差分曼彻斯特编码 | bit中间有信号跳变，bit与bit之间也有信号跳变，表示下一个bit为0（bit与bit之间无信号跳变，表示下一个bit为1） |
采用曼彻斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit。但是他能携带时钟信号，且可表示没有数据传输
查分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但是
抗干扰能力强于曼彻斯特编码
三、信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，都不可能任意高的速率进行传送。
从概念上讲，限制码元在信道上传输速率的的因素有两个。
-
信道能够通过的频率的范围
具体的信道能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。传输速率超过上限，会导致严重的
码间串扰问题，使接收端对码元的识别错误。 -
信噪比
噪声存在于所有电子设备和通信设备。噪声是随见产生的，瞬时值可能会很大，因此噪声会使接收端对码元的识别错误。但噪声的影响是相对的，信号相对强，噪声的影响相对小。因此，信噪比（S/N）很重要。
- 功率比
信 噪 比 = 10 lg 信 号 的 有 效 功 率 ( P s ) 噪 声 的 有 效 功 率 ( P n ) ( d B ) 信噪比=10\lg\frac{信号的有效功率(Ps)}{噪声的有效功率(Pn)}(dB) 信噪比=10lg噪声的有效功率(Pn)信号的有效功率(Ps)(dB)
- 电压比
信 噪 比 = 20 lg 信 号 的 有 效 电 压 ( V s ) 噪 声 的 有 效 电 压 ( V n ) ( d B ) 信噪比=20\lg\frac{信号的有效电压(Vs)}{噪声的有效电压(Vn)}(dB) 信噪比=20lg噪声的有效电压(Vn)信号的有效电压(Vs)(dB)
奈氏准则
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。
如果信道的频带越宽，也就是能通过的信号的高频分量越多。那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
香农公式
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、无差错的信息的传输速率。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
C = W log 2 ( 1 + S / N ) C=W\log_2(1+S/N) C=Wlog2(1+S/N)W：信道的带宽（以Hz为单位）
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内部的高斯噪声功率
香农的公式表明:
- 信道的带宽或行道中的信道比越大，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,就可以通过某种办法来实现无差别的传错 - 理论上，带宽（W）和信噪比（S/N）没有上限，极限信息传输速率C也没有上限
奈氏准则和香农公式的应用范围
物理层下面的传输介质
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在接收器和发送器之间的物理通路。传输媒体可分为两种，一种导向传输媒体和非导向传输媒体.
导向传输媒体
导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。
-
双绞线
- 屏蔽双绞线STP
- 无屏蔽双绞线USTP
-
同轴电缆
- 50Ω同轴电缆 用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫 基带同轴电缆。
- 75Ω同轴电缆 用于模拟传输，即宽带同轴电缆。
-
光缆
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。
非导向传输媒体
非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输。
无线传输所使用的频段很广，短波通信主要靠电离层反射，但通信质量较差。
微波主要在空间直线传播（地面微波接力通信，卫星通信）。
信道复用技术
复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。
频分复用（FDM）
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。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽而不是数据发送的速率）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帧的长度对应的时间）。TDM信号也称为等时信号。时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
统计时分复用（STDM）
在时分复用中，一个用户对于已经分配的自信到的利用率一般不高，当某用户暂时无数据发送时，时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就导致复用后的信道利用率不高。
于是我们引申出了统计时分复用。统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后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。对没有数据的缓存就跳过去。因此STDM帧不是固定分配时隙，而是按需求动态分配。
在输出线路上，某个用户所占的时隙并不是周期性地出现，因此统计时分复用也称为异步时分复用。
波分复用（WDM）
波分复用就是光的频分复用。
码分复用（CDM）
码分复用也叫码分多址（Code Division Multiple Access）。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。
在CMDA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。通常m的值为64或128。
使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的mbit码片序列。一个站如果要发送比特 1 ，则发送它自己mbit码片序列，如果要发送比特 0 ，就发送改码片序列的二进制反码。
现假定S站要发送的信息的数据率为 b bit/s。由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际发送的数据率提高到mb bit/s，同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频（spread spectrum）通信中的一种。
扩频通信：
- 直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum）
- 跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum）
在CDMA系统中，必须给每一个站分配的码片序列必须各不相同，而且必须互相正交，实际中使用伪随机码片序列。
用数序公式表示码片序列的正交关系：
S ∗ T = 1 m ∑ i = 1 m S i T i = 0 S*T=\frac{1}{m}\sum_{i=1}^m S_iT_i=0 S∗T=m1i=1∑mSiTi=0
S： 站S的码片向量
T：其他任何站的码片向量
- 两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化
内积（inner product）都是0- 向量S和各站码片反码的向量的
内积（inner product）也是0- 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化
内积（inner product）都是1- 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化
内积（inner product）值为-1
