第 2 章 物理层

时间  2021-01-13

第 2 章 物理层

2.1 物理层的基本概念

2.1.1 物理层解决的问题

① 物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体，通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑完成本层的协议和服务。
② 给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流（一般为串行按顺序传输的比特流）的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题。
③ 在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路

2.1.2 接口特性

  • 机械特性
     指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

  • 电气特性
     指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

  • 功能特性
      指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

  • 过程特性
      指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

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几个术语

  • 数据(data)：运送消息的实体

  • 信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现

  • “模拟的”(analogous)：代表消息的参数的取值是连续的

  • “数字的”(digital)：代表消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。1码元可携带n比特的信息量

几个信道的基本概念

  • 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（即基本频带信号）：来自信源的信号

  • 带通信号： 把基带信号经过载波调制后，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）。

2.2.2 常见编码方式

  • 不归零制
  • 归零制
  • 曼彻斯特编码
  • 差分曼彻斯特编码
  • 在这里插入图片描述

2.2.3 基本的带通调制方法

  • 调幅（AM）
  • 调频（FM）
  • 调相（PM）：正余弦波交换

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2.2.4 信道的极限容量

  • 奈氏准则

 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，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，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
  理想低通信号的最高码元传输速率=2W波特
 (W:理想低通信道的带宽，单位Hz;波特：设备每秒钟发生的信号变化量，即每秒钟内通信线路状态改变的次数）

  • 信噪比

  信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，单位分贝(dB)

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  • 香农公式

  香农公式表明 ：
  ①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。
  ②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办法来实现无差错的传输。
  ③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要比香农的极限传输速率低不少。      

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  • 概要: 码元传输速率受奈氏准则的限制；信息传输速率受香农公式的限制

2.3 物理层下面的传输媒体

引导型

  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光缆

非引导型

  • 无线传输
  • 短波通信
  • 微波
  • 通信卫星

2.4 信道复用技术

频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)

  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(Time Division Multiplexing)

  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 帧中占用固定序号的时隙。
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统计时分复用 STDM(Statistic TDM)
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波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)

码分复用CDM(Code Division Multiplexing)

  每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。
  任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1。
  一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

工作原理
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2.5 数字传输系统

2.6 宽带接入技术

ADSL 技术

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线

  • 特点
     ① 上行和下行带宽做成不对称的。
     ② 上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。
     ③ ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。

  • DMT技术

 DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 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

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  • 组成

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HFC技术

光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

  • 特点
     ①HFC网的主干线路采用光纤
     ②HFC 网将原 网有线电视网（ CATV）中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
     ③在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM，这比使用数字光纤更为经济。
     ④模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。

  • HFC 网采用结点体系结构

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FTTx 技术

 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。  光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。  光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

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