第2章-物理层

本章重点

1. 物理层的任务；
2. 几种常见的信道复用技术；
3. 几种常用的宽带接入技术，主要是 ADSL 和 FTTx；

2.1-物理层的基本概念

1. 物理层的作用：

   尽可能地屏蔽掉种类繁多的硬件设备和传输媒体通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。

2.2-数据通信的基础知识

2.2.1-数据通信系统的模型

一个数据通信系统可以划分为三大部分：

• 源系统（发送端、发送方）
  • 源点（source）：源点设备产生要传输的数据（也称信源，例如键盘输入的汉字）
  • 发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输（典型的有 调制器）；
• 传输系统（或传输网络）
  • 可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。
• 目的系统（或接收端、接收方）
  • 接收器：接受传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息（典型的有 解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的比特流）
  • 终点（destination）：也称为新宿；终点设备从接收器获取传来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在计算机屏幕上显示）。

2.2.2-有关信道（channel）的几个基本概念

三种基本通信方式：

1. 单向通信（单工通信）：只有一个方向，没有反方向。如广播、电视。
2. 双向交替通信（半双工通信）：通信双方都可以发送 or 接受通信，但是不能同时发送。
3. 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消息。

调制：

1. 基带调制：仅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，所以也称为 编码（coding）。
2. 带通调制：需要使用载波（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，这样就能更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号。

常用编码方式：

• 不归零制
• 归零制
• 曼彻斯特编码
• 差分曼彻斯特编码

基本的带通调制方法

• 调幅（AM）：载波的幅度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。
• 正交振幅调制 QAM（Quadrature Amplitude Modulation）。

2.2.3-信道的极限容量

1. 奈奎斯特（Nyquist）准则：

   在任何信道中，码源传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码源的判决（即识别）成为不可能。

2. 信噪比：
   $信噪比(db)=10 log10(S/N) (db)$信噪比(db)=10log10(S/N)(db)
   ​ 香农公式指出信道的极限信息传输速率 C：
   $C = Wlog2(1+S/N) (bit/s)$C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)

2.3-物理层下面的传输媒体

​ 传输媒体也称为传输介质 or 传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。分为：（“导引型” guided，意为 “导向传输媒体”）

• 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，在非导引型传输媒体中电磁波的传输（也称为无线传输）

2.3.1-导引型传输媒体

1. 双绞线：衰减大、价格贵、质量重。
2. 同轴电缆：里面是导体铜质芯线，主要用在有线电视网的居民小区。
3. 光缆：光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。优点：
   • 传输损耗小，中继距离长；
   • 抗雷电和电磁干扰小；
   • 保密性好；
   • 体积小、重量轻；

2.3.2-非导引型传输媒体

​ 当通信距离很远时推荐使用。

• 短波通信
• 微波接力通信
• 卫星通信

2.4-信道复用技术

2.4.1-频分复用、时分复用、统计时分复用

2.4.2-波分复用 WDM

2.4.3-码分复用 CDM

2.5-数字传输系统

2.6-宽带接入技术

2.6.1- ADSL（非对称数字用户线）技术

​ 用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。

2.6.2-光线同轴混合网（ HFC 网）

​ 主要用于传送电视节目和一些早期的宽带业务。

2.6.3- FTTx 技术

​ FTTH （Fiber To The Home）光纤到户。

​ FTTx （Fiber To The x…）表示不同的光纤接入点，如：

• FTTC（ Cube） 光纤到路边；
• FTTZ（Zone）光纤到小区
• FTTB（Building）光纤到大楼…

本章重点：

• 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性 和 过程特性；
• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点（或源站、信源）和 发送器，目的系统包括接收器和终点（或目的站，或新宿）；
• 通信的目的是传送消息。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现。
• 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号（或连续信号） 和 数字信号（或离散信号）。代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。
• 根据双方信息交互的方式，通信可划分为单向通信（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）。
• 来自信源的信号叫作基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。还有更复杂的调制，如正交振幅调制。
• 要提高数据在信道上的传输速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率不可能被任意地提高。
• 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体（双胶线、同轴电缆或光纤） 和 非导引型传输媒体（无线 or 红外 or 大气激光）。
• 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用 和 波分复用（光的频分复用）。
• 最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制 PCM。现在高速的数字传输系统使用同步光纤网 SONET（美国标准） 或 同步数字系列 SDH（国际标准）。
• 用户到互联网的宽带接入方法有 非对称数字用户线 ADSL（用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造）、光纤同轴混合网 HFC（在有线电视网的基础上开发的） 和 FTTx（即光纤到…）。
• 为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛使用无光源网络 PON。无源光网络无需配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。最流行的无源光网络是以太网无源光网络 EPON 和 吉比特无源光网络 GPON。