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。物理层要尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异,使物理层上的数据链路层感觉不到这些差异。
物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口有关的一些特性,即:
一个数据通信系统可分为三大部分: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)
源系统一般包括两个部分:
目的系统也包含两个部分:
一些常用术语:
信道: 信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信电路一般包括一条发送信道和一条接收信道。
从通信双方信息交互的方式来看,有以下三种基本方式:
基带信号: 来自信源的信号。
调制: 基带信号常包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道不能传输这种低频分量或直流信号,所以必须进行调制。
调制分为两大类:
数字通信的优点: 虽然信号在信道上的传输不可避免会产生失真,但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号,那么这种失真对通信质量就没有影响。
限制码元在信道上的传输速率的因素有两个:
香农公式:
C = W * log_2(1+S/N) (bit/s)
式中C为信道的极限信息传输速率,W为信道的带宽(以Hz为单位)。
香农公式表面,信道的带宽或信道中信噪比越大,信息的极限传输速率就越大。意义在于,只要信息传输的速率低于信道的极限传输速率,就一定存在某种方法实现无差错的传输。
复用(multiplexing) 技术可以让大家喝起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器,把合起来传输的信息分别送到相应的终点。最基本的复用技术就是 频分复用(Frequency Division Multiplexing)和时分复用(Time Division Multiplexing)。
用户在分配到一定的频带后,在通信过程始终占据这个频带。课件频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每一个时分复用用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。因此TDM信号也称为等时信号。时分复用用户是在不同时间使用同样的频带宽度。
当使用时分复用系统传送数据时,由于计算机数据的突发性,一个用户对已经分配的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一短时间暂时无数据传输时,那就只能让已经分配到手的信道空闲着,而其他用户也无法使用这个暂时空闲的信道。
统计时分复用使用STDM帧来传输复用的数据。但每一个STDM帧中的时隙数小于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,当一个帧的数据放满了,就发送出去。
码分复用 CDM (Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法,人们更常用的名词是码分多址(Code Division Multiple Access).
每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各用户之间不会造成干扰。
使用CDMA的每个站被指派一个唯一的m bit码片序列(chip sequence)。一个站如果要发送比特1,则发送他自己的m bit码片序列。如果要发送比特0,则发送码片序列的二进制反码。
CDMA的另一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同而且还必须相互正交。令向量S表示站S的码片序列,再令T表示其他站的码片序列。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(计算时把0看做-1)
S * T ≡ \frac{1}{m} \sum_{i=1}^m S_iT_i = 0
计算结果特性:
非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digtal Subscriber Line) 技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。因为ADSL的下行带宽远远大于上行带宽,于是被称为“非对称。
标准模拟电话信号频带是在300~3400Hz范围内,但用户线本身的带宽却超过1MHz。于是ADSL技术把0 ~ 4KHz的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在用户线的两端各安装一个ADSL调制解调器。我国目前采用的调制解调器实现方法是离散多音调(Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多子信道”的意思。该技术采用频分复用的方法,将4KHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多子信道,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,并使用不同的载波进行数字调制。
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、各子信道收到的干扰情况,以及在每一个频率上测试信号的传输质量。这样就使ADSL 能够选择合适的调制方案以获得尽可能高得数据率,可见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。
基于ADSL的接入网主要由以下三大部分组成:
数字用户线接入复用器包括许多ADSL调制解调器。ADSL调制解调器又称为接入端接单元(Access Termination Unit)。ADSL调制解调器必须成对使用,因此把在电话局端和用户家中的ADSL调制解调器分别记为ATU_C (C代表端局(Central Office))和ATU-R (R代表远端(Remote Office)).用户电话通过电话分离器(Splitter)和ATU-R连在一起,经用户线到端局,并再次经过一个电话分离器把电话连到本地电话交换机。