物理层

物理层的基本概念

• 物理层协议的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的特性
  • 机械特性:指明接口所用的接线器的形状与尺寸、引脚数目、排列、锁定装置......
  • 电气特性:指明接口电缆的各线上的某一电平的范围
  • 功能特性:指明线上某一电平的电压的意义
  • 过程特性:指明不同功能的各种可能事件出现的顺序
• 数据通信系统的模型
  • 数据通信系统可以分为三部分:源系统、传输系统、目的系统
    • 源系统
      • 源点
      • 发送器(调制器......)
    • 目的系统
      • 接收器(解调器......)
      • 终点
  • 通信的目的是传送消息。数据是运送消息的载体。信号是数据的电气或电磁表现。
  • 信息的分类
    • 模拟信号:取值连续
    • 数字信号:取值离散
  • 信道
    • 信道一般是用来表示某一个方向传送信息的媒体
  • 编码与调制
    • 编码:将数字数据转换成数字信号的过程称为编码。
    • 调制:将数字数据转换成模拟信道的过程称为调制。
• 常用的编码方式
  • 从信号波形提取信号时钟频率的能力。我们称为自同步能力；
  • 不归零制没有同步能力，曼彻斯特编码具备自同步能力

• 基本的调制方法
  • 矩形脉冲波形的数字信号包含从直流开始的低频分量，被称为基带信号，在数字信道上直接传输基带信号的方法称为基带传输。
  • 调制：许多模拟信道只能通过某一频率范围的信号。不能直接传输基带信号。因此必须对基带信号进行调制。
    • 使用载波进行调制:把基带信号的频率范围搬移到较高的频段来传输。
    • 经过载波调制的信号称为带通信号,而使用载波的调制称为带通调制。
    • 带通调制的三种方式:
      • 调幅(幅移键控)
      • 调频(频移键控)
      • 调相(相移键控)
• 信道的极限容量
  • 码元:码元是承载信息的基本信号单位。
  • 码元传输速率:单位时间内通过信道传输的码元数称为码元传输速率。
  • 码元传输的速率越高,信号传输的距离越远,噪声干扰越大,传输媒体质量越差, 信道输出的波形失真就越严重。
  • 码间串扰:如果信号的高频分量在传输时受到衰减,那么在接收端收到的波形前言、后沿就变得不那么陡峭了。扩散了接收端码元波形所占的时间,使信号波形失去了码元的清晰界限。这种现象称为码间串扰。
• 奈氏准则
  • 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
  • 每赫带宽的带通信道的最高码元传输速率为每秒1个码元。
• 波特
  • 波特指码元传输的速率单位。码元传输速率也称为调制速率、波形速率、符号速率。
• 多元制
  • 码元的传输速率受奈氏准则制约，要提高信息的传输速率。必须使每一个码元携带更多的比特信息量。这就需要多元制的调制方法。
• 信噪比
  • 信道的极限传输速率还受限于信道传输时的信噪比
  • 信道的极限传输速率为:(香农公式)C=WLog2(1+S/N);
  • 分贝与信噪比的转化:dB=10lgS/N;
  • 香农公式:信道的带宽或者信道的信噪比越大,则信息的传输速率越高。
• 传输方式
  • 并行传输:一次发送n个比特,接收端有n条传输线路(速度快,成本高)
  • 串行传输:一个比特一个比特的发送
  • 异步传输:字节异步,比特同步
  • 同步传输:以稳定的比特流形式传输,需要提供单独的时间线或者自带时间信号来实现同步
  • 单向通信:只能一个方向的交互
  • 双向交替通信:双方都能交互,但不能同时交互
  • 双向同时通信:每个方向都有1条发送以及接收信道
• 传输媒体
  • 导引型媒体
    • 双绞线(绞合的目的是减少干扰)
    • 同轴电缆
    • 光纤(原理:光的全反射)
  • 非导引型媒体
    • 缺点:保密性差、易被干扰
    • 短波通信(靠电离层反射,产生多径效应,传输效率差)
    • 微波通信(WIFI)
      • 卫星通信(距离远、较大的传播时延、保密性差)
• 信道复用技术
  • 复用:指一条物理线路同时传输多路用户的信号
  • 频分复用:同一时间用户占用不同的频带资源
  • 时分复用:用户在不同时间占用同样的频带宽度
    • 统计时分复用:提高了信道的利用率,但是信息的传输量更多(为数据加上了头、尾)
  • 波分复用:光的频分复用
  • 码分复用:用户之间具备不同的码型,各用户之间不会造成干扰。具备很强的抗干扰能力,不易被发现。每个站都被指派唯一的mbit的码片。
    • 两个不同站的码片序列正交,向量S,T的规格化内积为0;ST=1/m ST