第2章 物理层

2.1 物理层的基本概念

• 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

物理层的主要任务

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：指明接口电缆的各条线上出现的电压的意义
• 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时间的出现顺序

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

• 如图2-1所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（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：源点、发送器
目的系统一般也包括两个部分：接收器、终点

常用术语

• 通信的目的就是传送消息
• 数据(data) – 运送消息的实体
• 信号(signal) – 数据的电器的或电磁的表现
• 模拟信号(analogous signal) – 代表信息的参数的取值是连续的
• 数字信号(digital signal) – 代表信息的参数的取值是离散的。
• 码元(code) – 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

2.2.2 有关信道的几个基本概念

• 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（当然也就不能同时接受）
• 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
• 基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出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。因此必须对基带信号进行调制(modulation)

调制分为两大类：

• 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。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，这样能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
• 带通信号：经过载波调制后的信号

（1）常用编码方式

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
• 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

（2）基本的带通调制的方法

• 基带信号往往包含较多的低频成分，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。
• 最基本的二元制调制方法有以下几种：
  1. 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化
  2. 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化
  3. 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元酯的振幅相位混合调制方法。例如正交振幅调制QAM。

2.2.3 信道的极限容量

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

（1）信道能够通过的频率范围

• 具体的信道所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。
• 1924年，奈奎斯特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。

在任何信道中，码元传输速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）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，那么就可以用更高速率传送码元而不出现码间串扰

（2）信噪比

• 噪声存在于所有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，并用分贝作为度量单位。
  
• 1984年，香农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：
  
  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。
• 只要信道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也就没有上限。
• 实际信道上能够达到的信息传输速率比香农的极限传输速率低不少

2.3 物理层下面的传输媒体

• 传输媒体也成为传输介质或专属媒介，它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，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体
• 在导引型传输媒体中，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

2.3.1 引导型从传输媒体

• 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）

• 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

• 光缆
  • 光纤是光纤通信的传输媒体
  • 由于可见光的频率非常高，约为10^8MHz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各种传输媒体的带宽

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，就会出现全发射，光也就沿着光纤传输下去。

只要从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射。

光纤通信中使用的光波的波段

• 常用的三个波段的中心分别位于850nm,1300nm和1550nm
• 所有这三个波段都具有25000~30000GHz的贷款，可见光纤的通信容量非常大。
• 波长=波速/频率

光纤优点

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

2.3.2 非引导型从传输媒体

• 将自由空间成为“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，但短波通信的通信质量较差，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

ISM：工科医频段

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。它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

最基本的复用就是频分复用FDM和时分复用TDM。

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。
• 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

时分复用TDM

• 时分复用则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

​

2.5 数字传输系统

2.6 宽带接入技术

• 美国联邦通信委员会FCC原来认为只要双向速率之和超过200kbit/s就是宽带。但2015年重新定义为：
  * 宽带下行速率要达到25Mbit/s
  * 宽带上行速率要达到3Mbit/s
• 从宽带接入的媒体来看，可以划分两大类：
  1. 有线宽带接入
  2. 无线宽带接入
• 下面讨论有线的宽带接入

2.6.1 ADSL技术

• 非对称数字用户线ADSL技术就是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。
• 标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz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。
• ADSL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给用户上网使用。
• DSL就是数字用户线的缩写。

DSL的几种类型

• ADSL：非对称数字用户线
• HDSL：高速数字用户线
• SDSL：1对线的数字用户线
• VDSL：甚高速数字用户线
• DSL：数字用户线
• RADSL：速率自适应，是ADSL的一个子集，可自动调节线路速率。

ADSL的传输距离

• ADSL的传输距离取决于数据率和用户线的线径（用户线越细，信号传输时的衰减就越大）。
• 例如：
  1. 0.5毫米线径的用户线，传输速率为1.5~2.0Mbit/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1Mbit/s时，传输距离就缩短为3.7公里。
  2. 如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么6.1Mbit/s的传输速率下就只能传送2.7公里。

ADSL的特点

• 上行和下行带宽做成不对称的。
  上行指从用户到ISP，而下行指从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
• 我国目前采用的方案是离散多音调DMT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、收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32kbit/s到6.4Mbit/s之间，而上行数据率在32kbit/s到640kbit/s之间。

第二代ADSL

• 通过提高调制效率得到了更高的数据率
• 采用了无缝速率自适应技术SRA，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。
• 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。

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

• HFC（Hybrid Fiber Coax）网是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网是树型拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输
• HCF网对CATV网进行了改造

2.6.3 FTTx技术

OLT：光线路终端；ODN：光配线网；ONU：光网络单元