物理层

基础概念

• 数据、信号、码元
  • 数据是值传送信息的实体。信号是数据的电气或电磁表现，是数据传输过程中的存在形式。
  • 数据和信号都可以用“模拟的”或“数字的”修饰
    • 连续变化的数据或信号成为模拟数据或信号
    • 取值仅允许为有限的几个离散数值的数据或信号成为数字数据或信号
  • 数据的传输方式可以分为串行传输和并行传输
    • 串行传输指一个个比特按照时间顺序传输
    • 并行传输指多个比特通过多条信道同时传输
  • 码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形。这个时长内的信号称为k进制码元，该时长称为码元宽度。
    • 1码元可以携带多个比特的信息量，例如，在使用二进制编码时，有两种不同的码元：0状态和1状态

• 速率、波特、带宽

  • 速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率来表示
    • 码元传输速率/码元速率/波形速率/调制速率：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特(Baud)。
      • 1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元，码元可以是多进制的。
  • 信息传输速率/信息速率/比特率：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是b/s

  若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为 n * M bit/s
  
  若一个码元为K进制码元，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M * $lo{g}_{2}K$ bit/s

  • 带宽：表示单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位是b/s

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• 信源、信道、信宿

  • 信源时产生和发送数据的源头。信宿是接收数据的终点。
  • 信道和电路不同，信道是信号的传输媒介。
  • 模拟通信系统和数字通信系统
    • 普通的电话、广播、电视等都属于模拟通信系统
      
    • 计算机通信、数字电话以及数字电视都属于数字通信系统
      

• 数据的同步技术
  • 异步传输
    • 没有时钟，用户可以随时发送信号

- 异步通信实现容易，但每传输一个字符要多使用2~3位，适用于低速通信

• 同步传输
  • 在线路中嵌入时钟，强制用户基于时钟通信
  • 不需要附加起始位和停止位，在发送一组字符或数据块之前要发送一个同步字符，用于接收方同步检测

• 信道的通信方式

  • 单工通信
    

  • 半双工通信
    

  • 全双工通信
    

• 信号的传输方式
  • 基带传输
    • 数字信号是一个离散的方波，“0”代表低电平，“1”代表高电平，这种方波固有的频带称为基带，方波信号称为基带信号
    • 基带实际上就是数字信号所占用的基本频带
    • 基带传输就是在信道直接传输数字信号。
  • 频带传输
    • 频带传输是指将数字信号调制成音频信号再发送和传输，到达接收端时再把音频信号解调成原来的数字信号
    • 利用频带传输，可以实现多路复用，提高信道利用率
  • 宽带传输
    • 宽带传输采用75 $\Omega$ 的CATV电视同轴电缆或光纤作为传输媒体，带宽为300MHz。
    • 使用时通常将整个带宽划分为若干个子频带，可以利用宽带传输实现声音、文字和图像的一体化传输。

数据通信的理论基础

傅里叶变换

• 计算时，n取值越大（谐波数越大），计算值越接近真实值，但是谐波数越多，计算时间越长，信号传输越慢。

信道的最大数据速率

• Nyquist’s theorem
  • 适用于无噪声信道
  • 如果一个任意信号通过了一个带宽为B的低通滤波器，那么只要进行每秒 2B 次（确切）采样（极限码元传输速率为2B Baud ），就可以完全重构出被过滤的信号。
  • 如果信号包含了V个离散等级，则尼奎斯特的定理为：$$最大比特率=2Blo{g}_{2}Vbits/sec$$

• Shannon’s theorem
  • 热噪声的数量可以用信号功率与噪声功率的比值来度量，这样的比值称为信噪比 SNR, Signal-to-Noise Ratio ）
  • 将信号功率记作S，噪声功率记作N，则信噪比为 S/N 。通常情况下为了适用很大的范围，该比率表示成对数形式 $10lo{g}_{10}S/N$ ，对数的取值单位称为分贝(dB, decibel)。
  • 对于一条带宽为BHz 、噪声比是 S/N 的有噪声信道，其最大数据速率或者容量(capacity)是$$最大比特率=Blo{g}_2(1+S/b)$$

数据编码与调制

• 数据为了传输的目的都需要转变成信号。把数据变为模拟信号的过程称为调制，把数据变为数字信号的过程称为编码

• 数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输；模拟数据可以通过PCM编码器转换成数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输

数字数据编码为数字信号

• 数字信号用于基带传输，在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。

1. 归零编码(RZ)

• 高电平代表1、低电平代表0，每个时钟周期的中间都跳到低电平
• 接收方根据跳变调整时钟基准，从而实现同步。
• 归零要占用一部分带宽，传输效率受影响。

2. 非归零编码(NRZ)

• 和归零编码的区别是不用归零，一个周期都可以用来传输数据
• 但是无法传输时钟信号，难以同步。

3. 反向非归零编码(NRZI)

• 用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1.
• 反转本身可以作为通知机制，既能传输时钟信号，又不损失带宽
• NRZI编码会遇到一个严重问题，当连续发送多位"0"或"1"信号，会造成数据信号长时间不翻转，时读取的时序发生错误，因此需要执行位填充。

4. 曼彻斯特编码(Manchester Encoding)

• 将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平代表码元1；码元0则相反。
• 位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号，但是它占用的频带带宽为原始基带带宽的两倍

5. 差分曼彻斯特编码

• 码元为1，前半个码元的电平与上一码元的后半个码元电平相同；码元为0则相反。
• 每个码元中间有电平跳转，可实现自同步，抗干扰性好

6. 4B/5B映射

• 将要发送数据流的每4位作为一组，按照4B/5B编码规则转换为相应的5位码。

• 5位码共32种组合，只采用其中16种对应4位码，其他的16种作为控制码或保留

数字数据调制为模拟信号

• 根据信道中传输的信号是否经过调制，将系统分为基带传输系统和通带传输系统。即经过调制的数字传输系统就是数字带通传输系统，未经过调制的传输系统就是数字基带传输系统。
• 数字调制可借助通带传输完成，即针对通带内的载波信号进行调节或调制。我们可以调制载波信号的振幅、频率或相位。

1. 幅移键控ASK

• 通过改变载波信号的振幅来表示数字信号0和1
• 比较容易实现，但是抗干扰能力差

2. 频移键控FSK

• 通过改变载波信号的频率来表示数字信号0和1
• 容易实现，抗干扰能力强，应用广泛

3. 相移键控PSK / 二进制相移键控BPSK

• 通过改变载波信号的相位来表示数字信号0和1

4. 正交振幅调制QAM

• 频率和相位有关，即频率是相位随时间的变化率，所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。
• 通常情况下，振幅和相位可以结合起来一起调制。可以把这些调制模式结合起来综合使用，以便使每个符号传输更多的比特。
• 在频率相同的前提下，将ASK和PSK结合起来，形成叠加信号。设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则QAM技术的数据传输率R为 $$R=Blo{g}_2(mn)b/s$$

• 这种类型的图称为星座图(constellation diagram)
• 一个点的相位是以它为起点到原点的线与x正轴之间的角度来表示，一个点的振幅则是该点到原点的距离。
• 图(b)采用了振幅和相位的16种组合，因此可用每个符号传输4个比特，这种调制方式称为 QAM-16

模拟数据编码为数字编码

• 模拟传输

  • 调幅、调频、调相

  • 脉冲编码调制PCM
    .

    • 采样定理：带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz。因此，将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率$f_{采样}$ 必须大于等于最大频率f的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始信息。（奈奎斯特定理）
    • 脉码调制的过程又取样、量化和编码三步构成
      • 取样：按照一定的时间间隔采样测量模拟信号幅值
      • 量化：将取样点处测得的信号幅值分级取整的过程
      • 编码：将量化后的整数值用二进制里表示。

    脉码调制中，分级取证量化时引进了误差。分级越细，误差越小，但是每个样本点编码所需的比特数越多

模拟数据调制为模拟信号

• 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用(FDM)技术，充分利用带宽资源
• 电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式：模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的

多路复用技术

• 多路复用：技术就是把许多信号在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的技术

• 频分复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)

  • 将频谱分成几个频段，每个用户完全拥有其中的一个频段来发送自己的信号
    

  • 比语音通信所需多出来的那部分频带称为保护带(guardband)，它使信道之间完全隔离。但是相邻信道之间仍然可能存在某种重叠。

  • 采用频分多路复用时，每个信道的频率会得到不同程度的提升
    

  • 发送数字数据时完全有可能把频谱更有效率地划分成没有保护带。

  • 在正交频分复用(OFDM, Orthogonal Frequency Division Multiplexing)中，信道带宽被分成许多独立发送数据的子载波（例如 QAM ）。

  • 子载波在频域中被紧紧地包裹在一起。因此，从每个子载波发出的信号能扩散到相邻子载波。

• 波分多路复用(WDM，Wavelength Division Multiplexing)
  

  • 每条光纤的能量位于不同的波长处。四束光波被组合到一条共享的光纤上，然后传输给远处的接收方。
  • 在远端，这束光又被分离到与输入端一样多的光纤上。

• 时分多路复用(TDM, Time Division Multiplexing)

  • 用户以循环的方式轮流工作。每个用户周期性地获得整个带宽非常短的一个时间（类似单CPU多进程过程）
    

  • 基于 PCM 的 TDM 可在中继线上运送多路电话语音，每 125 微秒为每路电话发送一个语音样值。

  • 北美和日本地区使用的是 Tl 载波 Tl carrier ，Tl 载波包含 24 条被复用在一起的语音信道，每个信道依次将8比特的样值插入到输出流中。
    

  • 每帧包含24 * 8=192个比特，再加上额外一个比特用于控制，因而每 125 微秒产生 193个比特。

  • 这样得到的数据传输率为 1.544 Mbps ，其中8 kbps 用于信令控制。第 193 个比特用于帧同步和信令。

  • 时分多路复用允许将多个 Tl 载波复用到一个更高阶的载波中。
    

  • 在北美及日本以外地区，使用2.048 Mbps的El 载波代替 Tl 载波。 El 载波有 32个8比特数据样值被封装在125 微秒的帧中。

  • 32 个信道中的 30 个用于传输信息，其余2个信道用作信令。每四个帧为一组，提供了 64 个信令比特，其中一半用于信令（是否信道相关或共同信道），另一半用于帧同步或各个国家保留使用。

• 码分多路复用(CDM，Code Division Multiplexing )

  • 扩展频谱(spread spectrum)通信的一种形式，它把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。这种方法更能容忍干扰。

  • 码分多址(CDMA, Code Division Multiple Access)：允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带
    

  • 在CDMA中，每个比特时间再划分为m个短的间隔，成为码片，通常m值为64或128，一般m=8，规则如下：

    1. 使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的m bit码片序列，一个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列，如果要发送0，则发送该码片序列的二进制反码，按照惯例将码片中的0写成-1，将1写成+1

    2. CDMA给每一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
       

    3. 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，任何一个码片向量和该码片的反码的向量的规格化内积都是-1

数据交换技术

电路交换

• 在进行数据交换前，两个结点之间必须建立一条专用（双方独占）的物理通信路径。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束之后才释放。
• 电路交换技术分为三个阶段：连接建立、数据传输和连接释放。
• 电路交换技术的优点：
  1. 通信时延小
  2. 有序传输
  3. 没有冲突
  4. 适用范围广
  5. 实时性强
  6. 控制简单
• 电路交换的缺点：
  1. 建立连接时间长
  2. 线路独占，效率低下
  3. 灵活性差
  4. 难以规格化
• 电路建立后，除源节点和目的节点外，电路上的任何节点都采取“直通方式”接收数据和发送数据，不存在存储转发消耗的时间

报文交换

• 数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等消息。报文交换在交换结点采用的是存储转发的传输方式
• 报文交换技术的优点：
  1. 无需建立连接
  2. 动态分配线路
  3. 提高线路可靠性
  4. 提高线路利用率
  5. 提供多目标服务
• 报文交换技术的缺点：
  1. 存在转发时延
  2. 网络节点需要较大的缓存
  3. 报文交换主要是用在早期的电报通信网中，现在较少使用。

分组交换

• 分组交换也采用存储转发的方式，但解决了报文交换中大报文传输的问题：
  • 分组交换限制了每次传送的数据块的上限，把大的数据块划分为合理的小数据块，再加上一些控制信息，构成分组(Packet)
• 网络结点根据控制信息把分组送到下一结点，下一结点接收到分组后，暂时保存并排队等待传输，然后根据控制信息选择下一结点，直到目的结点。
• 分组交换的优点：
  1. 无建立时延
  2. 线路利用率高
  3. 简化存储管理（因为分组长度固定，缓冲区的大小也固定）
  4. 加速传输（后一个分组的存储操作和前一个分组的转发操作可以并行）
  5. 减少了出错概率和重发数据量
• 分组交换的缺点：
  1. 存在传输时延，结点交换机需要更强处理能力
  2. 需要传输额外的信息量
  3. 可能会出现失序、丢失或者重复分组

传输介质

导向性传输介质

• 电磁波被导向沿着固体媒介传播

1. 双绞线
   

• 是古老、又最常用的传输介质，由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成
  • 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
• 模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通信距离一般为几公里到数十公里
  • 距离太远时，对于模拟传输，需要放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

2. 同轴电缆

• 根据传输信号不同可以分为基带同轴电缆，主要传输基带数字信号；和宽带同轴电缆，主要用于传送宽带信号。
• 同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，传输距离更远，但是更贵

3. 光纤

• 利用光导纤维传递光脉冲来通信，有光脉冲表示1，反之为0
• 可见光频率高，因此光纤通信系统的带宽远远大于其他媒介。

• 特点：
  1. 传输损耗小，中继距离长，远距离传输经济
  2. 抗雷电和电磁干扰性能好
  3. 无串音干扰，保密性好
  4. 体积小，重量轻

非导向性传输介质

• 自由空间，介质可以是空气、真空、海水等
  

物理层设备

• 中继器
  

• 集线器
  

最后

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