02 物理层

2.1 物理层的基本概念

物理层的基本作用之一是屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异,使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异。

物理层的四个特性:

  • 机械特性

  • 电气特性:电压的范围

  • 功能特性:电压的意义

  • 过程特性:不同功能的各种可能事件的出现顺序

计算机内部多是并行传输。但数据在通信路线上一般采用串行传输(处于经济上的考虑)。因此物理层还要完成传输方式的转换。

2.2 数据通信的基础知识

数据通信系统的基本模型

数据通信的三大部分:

  • 源系统

  • 传输系统

  • 目的系统

源系统一般包括两部分:

  • 源点(source),产生要传输的数据

  • 发送器,典型的发送器就是调制器。现在很多计算机内置调制解调器。

目的系统一般包括两部分:

  • 接收器,典型的接收器就是解调器

  • 终点(destination)

一些术语:

  • 消息(message):消息是通信的目的

  • 数据(data):数据是运送消息的实体,是使用特定方式表示的信息,通常是有意义的符号序列

  • 信号(signal):数据的电气或电磁表现

有关信道的几个基本概念

信道(channel)一般用来表示向某一方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

三种基本的通信交互方式:

  • 单向通信,又称单工通信

  • 双向交替通信,又称半双工通信

  • 双向同时通信,又称全双工通信

来自信源的信号称为基带信号(baseband),频率低,传不远。要远距离传播,必须对基带信号进行调制(modulation)。

两种调制:

  • 基带调制:把数字信号转换为另一种形式的数字信号,因此大家更愿意把这种调制称为编码(coding)。

  • 带通调制:使用载波(carrier)进行调制,把基带信号的的频率范围搬移到较高的频段,并转换为模拟信号。调制方法包括调幅、调频和调相。

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,传输速率超过此上线,就会出现严重的码间串扰的问题,使接收端对码元的识别成为不可能。

    • 码间串扰:码元之间失去了清晰的界限。

  • 信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比,记为S/N,单位是分贝dB

  • 香农公式:给出了信道的极限信息传输速率C = W * log2(1 + S/N),(2是底数),单位是bps。W是带宽。

香农公式表明,信道的带宽或信道中的信噪比越大,信息的极限传输速率就越高。香农公式的意义在于:只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定存在某种办法实现无差错的传输。

2.3 物理层下面的传输媒体

两大类:

  • 导引型传输媒体(有线),主要有:双绞线、同轴电缆、光缆

  • 非导引型传输媒体(无线)

    • 短波通信(高频通信):主要靠电离层反射

    • 微波通信:包括地面接力微波通信和卫星通信

2.4 信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

  • 频分复用(Frequency Division Multiplexing, FDM):所有用户在同样的时间内占用不同的带宽资源。

  • 时分复用(Time Division Multiplexing, TDM):所有用户在不同时间内占用同样的频带宽度。时分复用将时间划分为一段段等长的时分复用帧。每一个用户在时分复用帧中占用固定序号的时隙。

  • 统计时分复用(Statistic TDM):这时对TDM的改进。由于用户使用信道的时间没有固定的规律,STDM帧不是固定分配时隙,而是按需动态分配时序。注意STDM和TDM是物理层比特流划分的帧,不是数据链路层的帧。

在进行通信时,复用器(multiplexer)和分用器(demultiplexer)成对使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。

波分复用

波分复用(Wavelengnth Division Multiplexing, WDM)就是光的频分复用。由于光载波的频率很高,因此习惯上用波长而不是频率来表示使用的光载波。

码分复用

码分复用(Code Division Multiplexing, CDM)又称码分多址。个各用户使用经过特殊挑选的不同码型,之间不会干扰。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

2.5 数字传输系统

2.6 宽带接入技术

这里讨论有线接入技术,无线接入技术在第九章中讨论

ADSL技术

非对称数字用户线(Asymmetric Digital Subscriber Line)是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能承载宽带数字业务。ADSL技术把4kHz以下的低端频谱留给传统电话是用,把原来没有利用的高端频谱留给用户上网使用。

ADSL的下行(从ISP到用户)速度带宽远远大于上行(从用户到ISP)带宽,“非对称”就是这个含义。

  • 对称DSL:把带宽平均分配到下行和上行两个方向,很适合企业使用。

  • VDSL(Very high speed DSL),甚高数字用户线,是ADSL的高速版。

光纤同轴混合网

HFC(Hybrid Fiber Coax)是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC把原有有线电视网中的同轴光缆主干部分改为光纤,在光纤结点把光信号转换为电信号,然后通过同轴电缆传送到每个用户家庭。

FTTx

x代表不同的接入点,如FTTH(Fiber to the HOME),表示光纤到户。

其实现在信号在陆地上的长距离传输基本上都已经实现了光纤化。ADSL和HFC中,用于远距离的传输媒体也早都使用了光纤。