物理层基础知识

53 阅读 0 评论 35 点赞

我是靠谱客的博主孝顺含羞草，最近开发中收集的这篇文章主要介绍物理层基础知识，觉得挺不错的，现在分享给大家，希望可以做个参考。

概述

一.物理层的介绍

主要任务：确定与传输媒体的一些特性；
1.机械特性：
指明接口所用的接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的插件都有严格的标准化规定。
2.电气特性：
指明接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3.功能特性：
指明某条线上的出现的某一电平的电压出现的意义。
4.过程特性：
指明对于不同的功能的各种可能事件的出现顺序。

我们简单的了解一下数据通信系统的模型：
一个数据系统包括三大部分：源系统（发送端），传输系统（传输网络），目的系统（接收端）
在这里插入图片描述
从这张图我们可以分析得到的是：
1.源系统：在输入汉字在PC机上时，PC机会把信号以数字信号的方式进行输出（大家都知道我们打字是断断续续的，所以我们得到的数字信号是离散的），在经过调制解调器的调整下，数字信号转换为模拟信号（一次性转换成机器能识别的、连续的信号）；源点生成的模拟数字比特流通过发送器将数据传送出去。
2.传输系统：只用来传输信号。
3.目的系统：接收器会将传输系统上的信号接收，通过调制解调器将模拟比特流再次转化为数字比特流，然后把信息输出打印在PC机上。

下面我们来总结一下数据通信的常用术语：
a.通信的目的是传送消息。如：语音，文字，图像，视频等都是消息。
b.数据是运送消息的实体，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列表示。
c.信号是数据的电气或电磁的表现：有模拟信号和数字信号两种。
d.码云是使用时间作用域范围内的波形表示数字时，代表不同不同离散数值的基本波形。

二.信道技术

1.信道：一般用来表示向某一个方向传送的媒体。
2.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。
3.双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送消息，但不能双方同时发送
4.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。

调制分为两大类

基带调制：(来自信源的信号常称为基带信号)：仅对基带信号的波形进行的变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号任然是基带信号。把这种过程称为编码。
带通调制：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，并转换为模拟信号，这样就能的带个更好的模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能通过的信道）
带通信号：经过载波掉之后的信号；

（1）.常用的编码方式：
基带调制–编码

在这里插入图片描述

不归零制：正电平代表1，负电平代表0；
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0；
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1；
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终有跳变。位开始边界处有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1；

（2）.基本的带通调制方法：
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。
最基本的二元制调制方法有以下几种:

调幅(AM):载波的振幅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

在这里插入图片描述
（3）.信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。例如下面的图：
在这里插入图片描述
第一种情况：有失真，但可以识别，就是在传输过程中，虽然信号会在实际信道上受到，贷款的限制，噪声的影响，或者是其他情况，使接收的信号发生变形，但信号的整体波形是没有发生太大变化的，所以任然能够了解；
第二种情况;失真较大，无法识别，传送过来的模拟信号严重变形，如图，会变成一条接近低电平的线，这样大大影响接收的内容；

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：
1.信道能够通过的频率范围
2.信噪比

补充信噪比：
a.噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
b.噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。
c.噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。
d.信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。
即：
信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB)
例如，当 S/N = 10 时，信噪比为 10 dB，而当 S/N = 1000时，信噪比为 30 dB。

解决码间串扰的办法：
1.(奈氏准则)为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值
2.(香农定理)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率
信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
C = W log2(1+S/N) (bit/s)
其中：
W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
S 为信道内所传信号的平均功率；
N 为信道内部的高斯噪声功率。

注意：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

三.信道复用技术

为了让信道的运输效率提高，减少资源的浪费，这里我们使用一种新的技术，叫信道复用技术。
复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。
1.频分复用 FDM
a.将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
b.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）。
2.时分复用 TDM
a.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。
b.每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
c.TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。
d.时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
注意：时分复用可能会造成线路资源的浪费；使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
3.波分复用 WDM
波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。
4. 码分复用 CDM
a.各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
b.这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
c.每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
d.每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
发送比特 1 时，就发送序列 00011011，(这里可以理解为源码)
发送比特 0 时，就发送序列 11100100。(这里可以理解为反码)
S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

CDMA 的重要特点:
a.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)。
b.在实用的系统中是使用伪随机码序列。
1.码片序列的正交关系
令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积 (inner product) 等于 0：
在这里插入图片描述
2.码片序列的正交关系
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。