201 物理层

物理层

通信基础

基本概念

数据、信号和码元

• 数据：传送信息的实体
• 信号：数据的电气或电磁表现
• 数据和信号都有模拟或数字之分：
  • 模拟信号/数据：连续变化
  • 数字信号/数据：有限的离散值
• 码元：
  • 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
  • 是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为 k 进制码元，该时长称为码元宽度
  • 在使用二进制编码时，1 码元表示 2 bit 信息量

信源、信道与信宿

• 数据通信系统主要划分为三部分：
  • 信源：产生和发送数据的源头
  • 信道：信号的传输介质
  • 信宿：接收数据的终点
• 信道分类：
  • 按传输信号：
    • 模拟信道用于传输模拟信号
    • 数字信道用于传输数字信号
  • 按传输介质：
    • 无线信道
    • 有线信道
• 信号分类：
  • 基带信号：将数字信号 1 和 0 直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输【基带传输】
    • 数字基带信号 (CPU 和内存传输的信号)
    • 模拟基带信号 (麦克风收到声音后转变的电信号)
  • 宽带信号：将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输【宽带传输】

传输方式

串行/并行传输

• 串行传输是指数据是 1 个比特 1 个比特依次发送的，发送端与接收端之间只用 1 条数据传输线即可
• 并行传输是指一次发送 n 个比特而不是一个比特，在发送端和接收端之间要有 n 条传输线路

同步/异步传输

• 同步传输：

  • 指数据块以稳定的比特流形式传输，字节之间没有间隔
  • 接收端在每个比特信号的中间时刻 (有区分 0,1 的标志) 进行检测，以判别接收到的是比特 0 还是 `1
  • 收发双方时钟同步方法：
    • 外同步：在收发双方之间加一条单独的时钟信号线
    • 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输 (如曼彻斯特编码) `

• 异步传输：

  • 指以字节为独立的传输单位，字节间的时间间隔不是固定的
  • 接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步
  • 通常传送前要在每个字节前后加上起始位和结束位
  • 异步是指字节之间异步【字节之间的时间间隔不固定】
  • 字节中的每个比特仍然要同步【各比特的持续时间是相同的】

通信方式

• 单工通信：
  • 只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播、电视广播
  • 只需一个信道
• 半双工通信：
  • 通信双方都可发送或接收信息，但不能同时
  • 需要两个信道
• 全双工通信：
  • 通信双方可同时发送或接收信息
  • 需要两个信道

速率、波特与带宽

• 速率：指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量
  • 码元传输速率：
    • 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元数
    • 也称：调制速率、符号速率
    • 单位：波特（Baud）
    • 1 波特表示数字通信系统每秒传输 1 个码元
    • 码元速率与进制数无关
  • 信息传输速率：
    • 表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元数（比特数）
    • 也称：比特率
    • 单位：比特/秒 （b/s）
• 注意：
  • 若 1 码元携带 n 比特的信息量，则 1 Baud = n bit/s `
  • 当 1 码元只携带 1 比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的
  • 当 1 个码元携带 n 比特的信息量时，波特率（码元/秒）转换成比特率（比特/秒）时，数值要乘以 n
• 带宽：
  • 在模拟信号系统中：
    • 表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差
    • 也称：频率带宽
    • 单位：赫兹（Hz）
  • 在计算机网络中：
    • 表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率
    • 单位：b/s

信道的极限容量

• 造成信号失真的主要因素:
  • 码元的传输速率：传输速率越高，信号经过传输后的失真就越严重
  • 信号的传输距离：传输距离越远，信号经过传输后的失真就越严重
  • 噪声干扰：噪声干扰越大，信号经过传输后的失真就越严重
  • 传输媒体的质量：传输媒体质量越差，信号经过传输后的失真就越严重
• 码间串扰：
  • 接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限的现象
  • 如果信道的频带越宽，则能够通过的信号的高频分量就越多，那么码元的传输速率就可以更高，而不会导致码间串扰

奈奎斯特定理（奈氏准则）

香农定理与奈奎斯特定理的关系

• 极限码元传输速率： 2 W 波特 = 2 W 码元/秒
• W ：理想低通信道的带宽（单位 Hz）
• V ：每个码元离散电平的数目【指有多少种不同的码元】
  • 比如有 16 种不同的码元，则需要 4 个二进制位，因此信息传输速率是码元传输速率的 4 倍
• 理想低通信道（无噪，带宽有限）下的极限数据传输速率：

$$2Wlo{g}_{2}V（单位为b/s）$$

• 对于奈氏准则，可以得出以下结论：
  • 在任何信道中，码元传输速率是有上限的，若超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题
  • 信道的频带越宽（即通过的信号高频分量越多)，就可用更高的速率进行码元的有效传输
  • 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制

香农定理

• 给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率
• 当用此速率进行传输时，不会产生误差

$$信道的极限数据传输速率C=Wlo{g}_2(1+S/N)(单位b/s)$$

• C：信道的极限信息传输速率（单位为 b/s）
• W：信道的频率带宽（单位为 Hz）
• S： 信道所传输信号的平均功率
• N ：信道内部的高斯噪声功率
• S/N 为信噪比：信号的平均功率与噪声的平均功率之比

$$信噪比＝10lo{g}_{10}(S/N)（单位为dB）$$

• 对于香农定理，可以得出以下结论：
  • 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的
  • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高
  • 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法来实现无差错的传输
  • 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

例题

编码与调制

• 编码：将数据转换成数字信号的过程
• 调制：将数据转换成模拟信号的过程

数字数据编码为数字信号

• 数字数据编码用于基带传输中，即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

归零（RZ）编码

• 高电平表示 1，低电平表示 0（或者相反）
• 每个码元的中间均跳变到零电平（归零）
• 接收方根据跳变调整本方的时钟基准，实现同步机制
• 在传输过程中处于低电平的情况多，信道利用率低

非归零（NRZ）编码

• 与 RZ 编码的区别是不用归零
• 一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高
• 收发双方存在同步问题，需要双方都带有时钟线

反向非归零（NRZI）编码

• 用电平的跳变表示 0，电平保持不变表示 1
• 跳变信号本身可作为一种通信机制
• 既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽
• USB 2.0 采用

曼彻斯特编码

• 每个码元的中间都发生电平跳变
• 电平跳变既作为时钟信号（用于同步），又作为数据信号
• 向下跳变表示 1，向上跳变表示 0（或者相反）
• 标准以太网采用

差分曼彻斯特编码

• 每个码元的中间都发生电平跳变【仅作为时钟信号】
• 数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变：
  • 无跳变表示 1
  • 有跳变表示 0
• 抗干扰能力更强

模拟数据编码为数字信号

• 计算机内部处理的是二进制，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）
• 典型的例子：对音频信号进行编码的脉码调制（PCM）
• 主要步骤包括三步：
  • 采样：
    • 对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
    • 采样定理【奈奎斯特定理】：$f_{采样}\ge 2f_{max}$，保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息
  • 量化：
    • 把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数
    • 这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量
  • 编码：
    • 把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

数字数据调制为模拟信号

1. 使用基本调制方法，1 个码元只能包含 1 个比特信息：
   • 调幅：
     • 即载波的振幅随基带数字信号而变化
     • 如 0 或 1 分别对应无载波或有载波输出
   • 调频：
     • 即载波的频率随基带数字信号而变化
     • 如 0 或 1 分别对应低频或高频
   • 调相：
     • 即载波的初相随基带数字信号而变化
     • 如 0 或 1 分别对应正弦波或余弦波

2. 使用混合调制方法，1 个码元可以包含 4 个比特信息：

• $A\sin \omega (x+\frac{\phi }{\omega })$
• 因为载波的频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率，所以载波的频率和相位不能进行混合调制
• 载波的相位和振幅可以结合起来一起调制：正交振幅调制 QAM
• 设波特率为 B，采用 m 个相位，每个相位有 n 种振幅，则该 QAM 的数据传输速率 R 为 $R=Blo{g}_2(mn)（单位为b/s）$

模拟数据调制为模拟信号

• 为了保证传输的有效性，需要将信号调制成频率更高的信号来应对传输过程的衰减
• 接收方接收到调制的信号后，通过解调器将信号还原为原来的信号
• 可使用频分复用 FDM 技术，充分利用宽带资源
• 例子：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

常见的信道复用技术

频分复用 FDM

• 频分复用的所有用户同时占用不同的频率资源进行通信

时分复用 TDM

• 时分复用的用户在不同的时间占用同样的频带

波分复用 WDM

• 根据频分复用的设计思想，可在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术
• 目前可以在一根光纤上复用 80 路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为密集波分复用 DWDM

码分复用 CDM

• 码分复用常称为码分多址 CDMA，它是在扩展通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术
• 每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信
• 将每个比特时间划分为 m 个更短的时间片，称为码片（Chip）
• m 的取值通常为 64 或 128
• 每个站点都被指派一个唯一的 m 比特码片序列
  • 某个站要发送比特 1，则发送它自己的 m 比特码片序列
  • 某个站要发送比特 0，则发送它自己的 m 比特码片序列的反码
• 如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加
• 为了从信道中分离出每个站的信号，给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则：
  • 分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列
  • 分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化内积为 0

举例

复用与多址的区别

• 复用：
  • 将单一媒体的频带资源划分成很多子信道，这些子信道之间相互独立，互不干扰
  • 从媒体的整体频带资源上看，每个子信道只占用该媒体频带资源的一部分
• 多址：
  • 更确切地应该称为多点接入
  • 处理的是动态分配信道给用户
  • 在用户仅仅暂时性地占用信道的应用中是必须的【所有的移动通信系统基本上都属于这种情况】
  • 相反，在信道永久地分配给用户的应用中，多址是不需要的 【对于无线广播或电视广播站】
• 频分复用 FDM 和时分复用 TDM 可用于多点接入，相应名词是频分多址 FDMA和时分多址 TDMA
• 从某种程度上，FDMA、TDMA、CDMA 可以分别看作是 FDM、TDM、CDM 的应用

传输介质

• 传输介质：是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输没提或传输媒介
• 传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中
• 物理层规定了电气特性，所以能识别所传送的是比特流
• 传输介质可以分为：导向性传输介质和非导向性传输介质
  • 导向传输介质：铜线，光纤
  • 非导向传输媒介质：空气，真空，海水

导向传输介质

双绞线

• 把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来
• 绞合可减少对相邻导线的电磁干扰
• 在局域网和传统电话网中普遍使用
• 屏蔽双绞线 STP：在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，提高抗电磁干扰的能力
• 非屏蔽双绞线 UTP：无屏蔽层的双绞线
• 优缺点:
  • 价格便宜
  • 通信距离一般为几千米到数十千米
  • 长距离的模拟传输需要放大器放大衰减信号
  • 长距离的数字传输需要用中继器将失真的信号整形

同轴电缆

• 由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层所组成
• 基带同轴电缆 (50 $\Omega$)：传送基带数字信号，早期用于局域网
• 宽带同轴电缆 (75 $\Omega$)：传送宽带信号，目前主要用于有线电视
• 优缺点：
  • 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性
  • 被广泛用于传输较高速率的数据
  • 传输距离比双绞线更远，价格也更高

光纤

• 光纤通信：

  • 利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信
  • 有光脉冲表示 1，无光脉冲表示 0
  • 可见光的频率约为 $10^{8}MHz$ 量级，因此光纤通信系统的带宽极大

• 原理：基于全反射，当光纤碰到包层时就会折射到纤芯，这个过程不断重复，光就沿着光纤传输下去

• 分类：

• 优点：

  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
  • 抗雷电和电磁干扰性能好
  • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
  • 体积小，重量轻

• 缺点：

  • 割接需要专用设备
  • 光电接口价格较贵

非导向传输介质

无线电波

• 具有较强的穿透能力，可以传输很长的距离
• 广泛应用于通信领域（无线手机通信、无线局域网）
• 无线电波使信号向所有方向扩散，有效距离范围内的接收设备无须对准某个方向，简化

微波、红外线和激光

• 微波：
  • 通信频率较高，频段范围较宽，载波频率通常为 2~40 GHz，因此通信容量大
  • 信号沿直线传播，超过一定距离后需要使用中继站
  • 卫星通信：
    • 利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号
    • 3 颗同步卫星可基本实现全球通信
    • 优点：通信容量大、距离远、覆盖广
    • 缺点：保密性差、端到端的传播时延长
• 红外线：
  • 点对点无线传输
  • 直线传播，中间不能有障碍物，传输距离短
  • 传输速率低 (4Mb/s~16Mb/s)
• 可见光：
  • 即光源作为信号源，前景好，暂时未被大范围应用

物理层接口的特性

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序，也称规程特性

物理层设备

中继器

• 主要功能：整型、放大并转发信号，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离
• 原理：信号再生，而非简单地将衰减的信号放大
• 两个端口：
  • 数据从一个端口输入，再从另一个端口发出
  • 端口仅作用于信号的电气部分，并不管数据中有没有错误数据或者不适于网段的数据
  • 两端可以连接相同媒体，也可以连接不同媒体
  • 两端的网络部分是网段（不是子网）
• 注意：
  • 中继器连接的几个网段仍然是一个局域网
  • 中继器工作在物理层，因此它不能连接两个具有不同速率的局域网
  • 如果某个网络设备具有存储转发的功能，那么可以认为它能连接两个不同的协议
  • 中继器没有存储转发功能，因此两端的网段一定要使用同一个协议
  • 放大器和中继器都起放大作用：
    • 放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大
    • 中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生
• 5-4-3 规则：
  • 5 个网段，4 个中继器或集线器，3 个网段为主机段
  • 在同一个由中继器或集线器互联的网络中，任意发送方和接收方最多只能经过 4 个路由器，5 个网段

集线器 Hub

• 实质上是一个多端口的中继器
• 主要功能：
  • 对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输范围
  • 把所有节点集中在以它为中心的节点上
  • 端口收到数据后，从除输入端口外的所有端口广播出去
  • 不具备信号的定向传送能力，是一个共享设备
• 集线器主要使用双绞线组建共享网络，是从服务器连接到桌面的最经济方案
• 集线器的每个端口连接的网络部分是同一个网络的不同网段
• 注意：
  • 多台计算机必然会发生同时通信的情形，因此集线器不能分割冲突域，所有集线器的端口都属于同一个冲突域 广播域与冲突域
  • 使用集线器的以太网虽然物理拓扑是星型的，但逻辑上仍是一个总线网，各站共享总线资源，使用的还是 CSMA/CD 协议
  • 集线器只工作在物理层，它的每个接口仅简单地转发比特，不进行碰撞检测(由各站网卡检测)
  • 集线器一般都有少量的容错能力和网络管理功能
  • 集线器是半双工模式，收发不能同时进行
• 集线器在一个时钟周期中只能传输一组信息，如果一台集线器连接的机器数目较多，且多台机器经常需要同时通信，那么将导致信息碰撞，使得集线器的工作效率很差
• 一个带宽为 10 Mb/s 的集线器上连接了 8 台计算机，当这 8 台计算机同时工作时，每台计算机真正所拥有的带宽为 10/8 Mb/s=1.25 Mb/s