第2章 物理层

2.物理层的基本概念

物理层考虑如何在与不同计算机连接的介质上,而不是特定介质上传输数据字节流。
物理层的作用是尽可能地屏蔽不同传输媒体和通信手段之间的差异。
用于物理层的协议通常被称为物理层程序。

物理层的主要任务是确定与传输介质的接口的一些特性。

• 机械特性: 指定在接口上使用的连接器的形状和尺寸、线的数目和排列、固定和锁定装置等。
• 电特性: 指定连接电缆各线的电压范围.
• 功能特性: 指示电线上某一特定电平面的电压的意义.
• 过程特性: 指示不同功能的可能事件的序列.

2.2数据通信的基本知识

2.2.1数据通信系统模型

数据通信系统包括三个主要组成部分:源系统(或发送者,发送者)、传输系统(或传输网络)和目标系统(或接收者,接收者)。

• 数据:发送消息的实体。
• 信号是数据的电磁表示。
• 模拟信号:表示消息的参数的值是连续的。
• 数字信号 - 表示消息的参数的值是离散的.
• 代码 - 当使用一个代表一个时间域(或时间域)的数字信号的波形时,代表不同离散数值的基本波形。

2.2.2有关宗教的一些基本概念

• 信道(英语:Channel) - 通常用来指明一种传播信息到特定方向的介质.
• 單向通信(single-work communication)-只有單向通信,沒有逆向交互。
• 双向交换通信(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:semi-bidirectional communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:Bidirectional interchange communication)(英语:
• 雙向同時通訊(英语:Bidirectional simultaneous communication)(全雙向通訊)(英语:Full bidirectional communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous communication)(英语:Bidirectional simultaneous
• 基本带信号(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(英语:Baseband signals)(
  基波信号通常包含更多的低频组件,甚至直流组件,许多通道无法传输低频或直流组件,因此需要调制基波信号。

调制：

1. 基本波段调制:仅改变基本波段信号的波形,以使它能够适应信道特性。 转换后的信号仍然是基本波段信号。

2. 接收器调制(Transceiver modulation):使用载体调制,将基带信号的频率范围移动到高频带,并将其转换成模拟信号,以便在模拟通道中更好地传输(即只能在频率范围内通过通道)。

   通过传送器传输的信号。

信号傅里叶分析：
T的函数g(t)的任何正常循环都可以由(无限)字符串和剩余函数合成。

其中：
f =1/T为基频(基波),
a是正弦函数n次谐波的振幅,
bn是二次谐波函数n的振幅。

常用编码方式

1. 它不是零系统:正平衡代表1,负平衡代表0。
2. 零: 正脉表示1, 负脉表示0.
3. 曼彻斯特编码:周期中心的上下跳代表0,周期中心的下跳代表1。
4. 不同的曼彻斯特代码:每个中心都有跳跃。 起点边界有0的跳跃,起点边界没有1的跳跃。

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从信号波形中可以看出,曼彻斯特编码产生的频率和曼彻斯特编码之间的差异高于零。
从自同步能力的角度来看,非零系统不能从信号波形本身提取信号时钟频率(称为非自同步能力),而曼彻斯特编码和微分曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法

基波信号通常包含更多的低频组件,甚至直接电流组件,许多通道无法传输低频或直接电流组件。 为了解决这个问题,需要调制基波信号。
基本的二进制调制方法如下:

• 振幅(AM): 载体的振幅与基带的数字信号不同.
• 频率调制(FM):载体的频率与基带的数字信号不同。
• 相位调制(PM): 载体的初始相位与基带的数字信号不同.

四维 Amplitude Modulation

2.2.3通道的容量限制

没有实际的通道是理想的,并且在传输信号中存在各种扭曲和干扰。
编码器传输的速度越高,或信号传输的距离越大,或传输的媒体质量越高,通道输出端的波形变形就越严重。

从概念上讲,有两个因素限制通道上的代码元素的传输速度:
一个通道通过的频率范围

在任何通道中,编码器传输的速度是有限的,否则将存在编码器间干涉的问题,使得接收机无法判断(即识别)编码器。

如果通道的带宽更大,即信号可以通过的频率带宽更高,那么代码元素可以在没有代码干涉的情况下以更高的速度传输。

奈式准则

任意的信号通过一个带宽W(Hz)**的低风险波,使信号能够完全通过这一低风险波重复2H次每秒。
最大编码器传输速度=2W(高)

信噪比

噪声存在于所有电子设备和通信通道中.
噪声是随机产生的,其瞬时值有时很大,因此噪声会使接收机在编码器的判断中产生错误。
但噪声效应相对,如果信号相对强,噪声效应相对小。
噪声比(英语:Noise ratio)是信号的平均功率与噪声的平均功率的比,通常称为S/N,并以 decibel(dB)计量。
噪音比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)

香农公式

1984年,Shanon利用信息理论推导了带宽限制和高速白噪声干涉通道的无限制误差传输率(Shanon公式)。

香农公式表明：

• 信道的带宽越高或信道中噪声比越高,信息的最大传输速度越高。
• 只要信息传输速度低于信道信息传输速度的限度,必须有某种方法实现无误传输。
• 如果通道W的带宽或信号噪声比S/N没有上限(当然实际通道不能如此),那么通道的最大传输速度C没有上限。
• 该频道的实际传输速率远低于山农的最高传输速率。

对于带宽定义的通道,如果噪声比不能再增加,并且编码传输速率也达到上限,那么有办法提高信息传输速率。
这就是: 编码的方式,每个编码器携带更多的信息.

2.3物理层下的传输介质

传输介质(英语:Transmission medium),又称传输介质,是数据传输系统中的传输器与接收器之间的物理路径。
传输媒体可以分为两种主要类别,即引导和非引导的传输媒体。
在导电介质中,电磁波沿着一个固体介质(铜线或纤维)进行导电。
非导体传输介质是指自由空间。 在非导体传输介质中,电磁波的传输通常被称为无线传输。

2.3.1导引运输媒介

双绞线
最常用的传输媒体。
模拟和数字传输可以通过双线电缆进行,通信距离可达几至十公里。
盾牌双重搭档
带金属屏蔽层
無遮蔽雙重組

1991年,美国电子工业协会(EIA)和电信工业协会(Telecommunications Industry Association)共同发布了EIA/TIA-568标准,用于室内无线和无线数据传输。
1995年,该标准被更新为EIA/TIA-568-A。
该标准规定了五个类型的UTP标准(从1到5)。
对于数据传输,最常用的UTP是5类或CAT5类。

同轴电缆
同轴电缆具有良好的抗干扰特性,广泛用于高速传输数据。
轴向电缆的带宽取决于电缆的质量.
50Ω共轴电缆-LAN/数字传输通用
75Ω共轴电缆-电缆电视/模拟传输通用

光缆
光纤是光纤通信的传输媒介.
由于可见光频率非常高,大约为108 MHz,光纤通信系统的带宽远高于其他当前传输媒体的带宽。

• 多模光纤
  在纤维中,可以从不同角度传输多个光线,这种类型的纤维叫做多模式纤维。
• 单模光纤
  如果光纤的直径被降低到一个光波长,光纤像波导一样,可以使光线向前移动,而不造成多个反射。

光纤优点：

1. 通信容量非常大。
2. 传输损耗低,继电器距离长。
3. 抗辐射和电磁干涉性能良好。
4. 没有线条干涉, 良好保密.
5. 体积小，重量轻。

2.3.2 非导体传输介质

自由空间被称为“非导体传输介质”。
无线传输的频率带非常宽.
短波通信(即高频通信)主要基于离子层的反射,但短波通道的通信质量差,传输率低。
微波在空间中主要通过直线传输.
传统的微波通信有两种方式:
地面微波接力通信
卫星通信

2.4重新使用渠道

2.4.频率重复,时间重复和统计时间重复

多plexing是通信技术的一个基本概念。
它允许用户使用共享渠道进行通信,降低成本和增加使用量。

频分复用FDM

整个带宽被分成多个部分,用户在分配到某个带后从通信过程中从开始到结束接管带。
所有频率分布的用户同时使用不同的带宽资源(注意这里带宽是频率带宽而不是数据传输率)。

时分复用TDM

时间共享是一个时间共享框架(TDM框架),它将时间分成相同长度的分段。
每个用户使用的间隔是周期性的(TDM框架的长度是其周期)。
TDM信号也称为异时信号。
所有重复的用户在不同的时间使用相同的带宽。

由于 计算机 数据 的 突然 性质, 在 使用 时 重复 系统 传输 计算机 数据 时, 用户 对 分配 的 分 通道 的 利用率 一般 不 高 。

STDM使用统计时间划分

2.4.2频率分割复制

频率分离是光的频率分离,用光纤同时传输多个光波长。

2.4.3DCDM

通常使用的术语是代码分割多访问(CDMA)。
每个用户使用不同的特定类型的代码,以避免互相干涉。
该系统发出的信号具有很强的抗干扰能力,其频谱类似于白噪声,并不容易被敌人发现。

码片序列

每个比特时间被分成 m 短的间隔, 称为芯片.
每个站都有一个独特的mbit芯片序列.

• 如果发送1位元, 则发送自己的m位元芯片序列.
• 如果发送 bit 0, 则发送该芯片序列的二进制逆码.

将编码序列实现以扩展频率.

假设S站发送信息的数据速率为bbit/s。因为每个位数要转换为m位数的代码,**因此S站发送的实际数据速率增加到MBbit/s,**同时,S站占用的带宽增加到原值的m倍。
这种通信是传播频谱通信的一种形式.
频率扩散通讯通常分为两个主要类别:

• 其中一种是直接序列扩散谱(Direct Sequence Spread Spectrum,DSS),是上面所使用的芯片序列类型。
• 另一种是频 Hopping Spread Spectrum(FHSS)。

CDMA的特点

分配给每个站的芯片序列不仅必须不同,而且必须是正交的。

• 每个芯片向量和芯片向量自身指定的内在体积为1。

• 指定的芯片向量和芯片的反编码向量是-1。

在实际系统中, 使用伪随机代码序列.

2.5数字传输系统

在早期的电话网络中,从市政电话站到用户电话机的用户线路使用最廉价的双线缆,而长途用户则使用频分多重的FDM模拟传输方法。
与模拟通信相比,数字通信具有明显的传输质量和经济优势。
目前,长途总线主要采用时重复的PCM数字传输方法。
脉冲编码PCM系统最初被设计为通过电话站之间的继线传输多通道电话。

由于历史原因,PCM有两个互不兼容的国际标准:

• 24-北美洲路由电路(T1)
• 欧洲30号-路线PCM(E1)

我国采用欧洲E1标准.
E1的速率为2.048 Mbit/s,T1的速率为1.44 Mbit/s。
当需要更高的数据速率时,可以使用一种可重用的方法。

旧数码传输系统的缺点:
主要 方面 是 :

• 速率标准不统一
  基于光纤的国际高速数据传输是很难实现的,而没有标准化高容量的数字传输速度。
• 不是同步传输
  1. 在相当长的一段时间内,各国的数字网络主要采用准同步的方法,以节省资金。
  2. 当数据传输速度很高时,接收器和发送器的同步成为一个大问题

**Synchronous Optical Network **SONET(Synchronous Optical Network)钟级来自一个非常精确的主钟。
SONET定义了光纤传输系统同步传输的线速层次结构

1. 该信号被称为第一级同步传输信号STS-1(Synchronous Transport Signal),其传输速率为51.84Mbit/s。
2. 光学信号被称为第一类光学载体OC-1(OC指光学载体)。

它现在由51.84 Mbit/s(OC-1)定义为9953,标准为280 Mbit/s(OC-192/STS-192)。

ITU-T开发了一个基于美国SONET标准的国际标准SDH(Synchronous Digital Hierarchy)系列。
一般认为SDH和SONET是同义词。
主要的区别是SDH的基本速度是155.52Mbit/s,它被称为第一类同步传输模块。即 STM-1，它相当于SONET系统的OC-3速度。

SONET/SDH标准的意义

• 不同的数字传输系统在STM-1级统一。
• 首次实现数字传输系统世界标准。
• 它已成为理想的传输网络系统的新代被接受.
• SDH标准也适用于微波和卫星传输技术系统.

2.6宽带输入技术

要连接到互联网,用户必须首先连接到一个互联网服务提供商。
在互联网的早期,用户使用电话线来通过调制器连接到互联网服务提供商,互联网的访问速度只有56kbit/s。
美国联邦通信委员会(FCC)最初认为只有200kbit/s以上的带宽是双向的,但在2015年,它被重新定义为:
带宽下降速度必须为25Mbit/s
宽带联接速度必须为3Mbit/s

宽带访问媒体可以分为两个主要类别:

• 有线宽带接入
• 无线宽带接入

下面讨论了无线宽带接入.

2.6.1ADSL技术

ADSL(英语:Asymmetric Digital Subscriber Line)是利用数字技术修改现有的模拟电话订阅线,使它们能够提供宽带服务的技术。
标准模拟电话信号的频率带限于300–3400 Hz,但用户线本身的信号频率仍超过1 MHz。
ADSL技术将0-4kHz低频频段留给传统的电话,而高频频段则不再被互联网用户所使用。
DSL是数字订阅线的缩写.

不对称数字订阅线
HDSL(高速DSL):高速数字用户线
SDSL(单线DSL):单线的数字用户线。
VDSL(非常高速DSL):高速数字用户线
数码订阅线(DSL)
RADSL(Rate-Adaptive DSL):能自动调整线路速度的ADSL子集。

ADSL的传输距离取决于数据速率和用户线的直径(用户线越薄,信号传输时的衰变就越大)。
ADSL的最高数据传输速度与实际用户线路的噪声比密切相关。

特点：

上下行的宽度是不对称的.
上行是从用户到ISP,下行是从ISP到用户。
ADSL在用户线(铜线)两端安装一个** ADSL调制调制器。
中国目前的解决方案是离散多声调制技术(DMT)。
这里“多音”的意思是“多波长”或“多通道”。

DMT技术

DMT调制技术采用频率分割再利用方法,其频率范围从40kHz到1kHz。1MHz高频频段被分成许多子通道,其中25个为上游和249个为下游。
每个子通道占有4kHz的带宽(严格地说4.3125kHz),并使用不同的载体(即不同的音调)进行数字调制。

数据率：
由于用户线的特定条件往往非常不同(距离、线直径、与邻近用户线的干扰程度等),ADSL使用自适应调制技术,使用户线能够传输尽可能高的数据速率。
当ADSL启动时,用户线两端的ADSL调制器测试可用频率、每个子通道的干扰以及信号在每个频率的传输质量。
ADSL不能保证固定数据速率,对于低质量的用户来说,ADSL甚至不可能实现。
通常,最低数据速率为32kbit/s至6.4Mbit/s,而上游数据速率为32kbit/s至640kbit/s。

第二代ADSL

包含ADSL2(G.992.3和G.992.4)和ADSL2+(G.992.5)。
通过提高调制效率,获得更高的数据率.
ADSL2至少需要8Mbit/s在底部和800kbit/s在顶部。
ADSL2+设置了从1.1 MHz扩展到2.2 MHz的频谱范围,其下降速度为16 Mbit/s(最大传输速度为25 Mbit/s)和最高速度为800 kbit/s。
SRA(Seamless Rate Adaptation)技术用于调整数据速率以适应性的方式,而不干扰通信和在操作过程中生成错误代码。
提高网络的质量评价和故障定位功能,提高网络的维护水平。

2.6.2光纤共axial混合网络(HFC网络)

HFC(Hybrid Fiber Coax)网络是基于目前的宽带电缆电视网络CTV的住宅宽带接入网络。
HFC网络除了CATV之外,还提供电话、数据和其他宽带交互服务。
现有的CATV网络是一个轴向电缆网络,其树层结构采用模拟技术将电视节目传输在一个方向。
HFC网络已改为CATV网络.

HFC网络将原来的CATV网络中的轴线主干转换为光纤,并使用模拟光纤技术。
在模拟光纤中采用光的振幅调节 AM, 比数字光纤更经济.
模拟光纤由头部连接到光纤节点,光纤分发节点(ODN),光纤接口的光信号转换为电报。

每个家庭必须安装一个用户界面框:

UIB(User Interface Box)提供三个连接:
使用轴向电缆连接到安装台盒,然后连接到用户电视机。
使用双线连接到用户电话.
使用电缆调制器连接到用户计算机.

2.6.3FTTx技术

FTTx是实现宽带住宅接入网络的解决方案, 代表各种宽带光纤接入方法.
FTTx是指光纤向(光纤向..),例如:

• Fiber To The Home(FTTH):在用户家中安装了光纤,这可能是居民进入网络的最后解决办法。
• 光线到建筑物FTTB(光线到建筑物):光线进入建筑物并转换成电报,然后通过电缆或双线向用户分配。
• Fiber To The Curb FTTC (Fiber To The Curb): 利用星形双线作为从曲线到用户传输的传输介质。

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