我们一起学网络 -- 物理层

在书本上我们能够了解到：物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流；而不是指具体的传输媒体。该层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。

• 机械特性 :指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
• 电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 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。

在物理层如果只是规定这里基础的特性够吗?我们的数据到底是怎么传输的？传输过程中会存在那些问题？数据传输速率能够无限快吗?如果不是到底和那些因素有关?传媒的媒介不同对传输有那些影响?接下来我们将逐一解决这些问题。

1、数据到底是怎么传递的

1.1、数据通信系统的模型

图1 数据信号系统

如图所示，在一个通信系统中包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）、目的系统（或接收端、接收方）。在传输过程中使用信号进行传递：可能是光型号、电信号等。

除了了解基本的传输系统之外我们还应该了解如下基本概念：

• 信息：用来消除不确定性的东西
• 数据：运送消息的实体，具有一定精度
• 信号：数据的电气的或电磁的表现
• 码元：在使用时域波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
• 模拟信号或连续信号 ——代表消息的参数的取值是连续的。
  • 例如用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。
• 数字信号或离散信号——代表消 息的参数的取值是离散的。
  • 例如用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。
• 调制： 像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。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)。
  • 打个比方：如果传递的是电信号，如果只是单纯的直流电是不带有信息的，只用讲直流电转化为交流电之后分析交流点中的变化，就能识别信息，也就是01编码，从而能能够达到传输数据的目的。
• 基带调制: (编码) 数字信号→数字信号，通过基带调制的信号任然是数字信号，通常情况下大家更愿意称之为编码。
  • 例如原始数据包含0-1， 我们01表示0，10表示1， 如果计算机输出的数据的010110， 经过基带调制之后的数据就变成， 01-10-01-10-10-01（中间的"-"是为了明显看出加上去的。
• 带通调制: (载波调制) 数字信号→模拟信号
• 基带信号:(基本频带信号) 来自信源的信号，如：计算机输出的各种数据信号
• 带通信号:经过载波调制后的信号，

1.2、从发送数据到数字信号，再到模拟信号

1.2.1 基带调制

常见的编码方式（从发送数据到数字信号）有归零制编码、不归零制编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码：

图2 常见的编码方式

• 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。但也可反过来定义。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。

通过上述的四种方式我们就能将需要传输的比特流转换为数字信号从信号波形中可以看出，曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率(这叫做没有自同步能力)，而曼彻斯特编码具有自同步能力。

3### 1.2.2 带通调制

基带信号往往包含有较多的低频、甚至直流成分，而许多信道并不能传输这种低频或直流分量。此时就必须对其进行调制 (modulation).常见的带通调制的方法有调幅、调频、调相:

图3 常见的带通调制的方法

• 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。
  为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如:正交振幅调制QAM (Quadrature Amplitude Modulation)。

通过带通调制之后的数据我我们就能够就将数据在物理媒介上进行传输了。

解决了数据在物理媒介上的传输问题，但是数据在物理媒介上传输的速率能达到什么程度?受那些因素的影响?

1.3、信道容量极限

因为任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。我们知道，数字通信的优点就是:虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。

图 4 数据失真情况

1.3.1 奈氏准则

在1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。我们需要知道的就是:在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。

在此我们需要注意的就是码元的传输速率是有上限的，这个速率不代表数据的传输率，也就是说在码元的速率一定的条件下，码元携带的数据越多，数据的传输速率也就越大。

1.3.2 香农公式

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，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(1 误判为0或0误判为1)。但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。因此，信噪比就很重要。所谓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:

$信噪比(dB) = 10 \log_{10}{S/N} (dB)$

例如，当 $S/N= 10$时，信噪比为 $10dB$，而当 $S/N= 1000$时，信噪比为 $30 dB$。

在1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。香农公式指出:信道的极限信息传输速率 $C$是
$C = W \log_2(1+S/N) (bit/s)$
式中， $W$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。

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。香农公式指出了信息传输速率的上限。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来实现无差错的传输。不过，香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。

从以上所讲的不难看出，对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了,并且码元传输速率也达到了.上限值，那么还有什么办法提高信息的传输速率呢?这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

至此我们已经了解到了数据在物理媒介上的传输速率不是无限的，通常与信道的带宽与信噪比有关，带宽越大，传输速率越大；信噪比越大，传输速率越大，且满足香农公式。
$C = W \log_2(1+S/N) (bit/s)$
接下来我们讲具体研究在不同的物理媒介傻上传输速率到底那些不同的差异。

2、物理层传输媒介

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

• 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体(铜线或光纤)传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间
• 在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。

2.1 引导性传输媒介

2.1.1 双绞线

双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在-起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。下面显示了几种双绞线的示意图

图5 双绞线示意图

1991年，美国电子工业协会 EIA 和电信行业协会联合发布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准 EIA/TIA-568。
1995年将布线标准更新为 EIA/TIA-568-A。此标准规定了 5 个种类的 UTP 标准（从 1 类线到 5 类线）。对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是5类线（Category 5 或 CAT5）。常用的绞合线的类别、带宽和典型应用如下图 ：

图6 常用的绞合线的类别、带宽和典型应用

2.1.2 同轴电缆

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。
同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。

• 50 $\Omega$同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
• 75 $\Omega$ 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

图7 同轴电缆的结构

在局域网发展的初期曾广泛地使用同轴电缆作为传输媒体。但随着技术的进步，在局域网领域基本.上都采用双绞线作为传输媒体。目前同轴电缆主要用在有线电视网的居民小区中。同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。目前高质量的同轴电缆的带宽已接近1GHz。

2.1.3 光纤

光纤通信就是利用光导纤维(以下简称为光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。由于可见光的频率非常高，约为 $10^8 MHz$的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

在光纤通信中常用的三个波段的中心分别位于 $850nm,1300nm$和 $550nm$。后两种情况的衰减都较小。 $850 nm$波段的衰减较大，但在此波段的其他特性均较好。所有这三个波段都具有 $25000 \sim 30000 GHz$的带宽，可见光纤的通信容量非常大。

光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还具有其他的一些特点: .

• 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。这在有大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
• 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。这在现有电缆管道已拥塞不堪的情况下特别有利。

例如，1 km长的1000对双绞线电缆约重8000kg，而同样长度但容量大得多的一-对两芯光缆仅重100kg。但要把两根光纤精确地连接起来，需要使用专用设备。由于生产工艺的进步，光纤的价格不断降低，因此现在已经非常广泛地应用在计算机网络、电信网络和有线电视网络的主干网络中，因为它提供了很高的带宽，而且性价比很高。在高速局域网中也使用得很多。

2.2 非引导性传输媒介

图8 电磁频谱

1.无线电传输

无线电波被广泛应用于通信领域。 无线电波的特性与频率有关。在低频部分,无线电波能够很好地穿透障碍物:但是随 着离信号源越来越远,其能量急剧下降。。在高频部分,无线电波倾向于以直线传播,并且遇到障碍物会反 弹回来。相 比低频无线电波,高频无线电波更容易被雨水和其他障碍物吸收。在所有频率上,无线电 波都会受到马达和其他电气设备的干扰。

2.微波传输

微波通信被广泛应用于长途电话通信、移动电话和电视转播,其他频 谱严重短缺领域中的应用也已经被开发出来。

3.红外线传输

非引导性的红外波被广泛应用于短程通信。电视机、录像机和立体声音响的遥控器都 采用红外线通信。相对来说,红外线的传播具有方向性、便宜并且易于制造,但是它们有 个很大的缺点:就是不能穿过固体物体。

4.光通信

激光的强度,体现在一个很窄的一束光,同时这也是它的弱点。通常,在系统中放置一个镜头可以让激光束轻微地张开。更糟糕的 是,风和温度的变化可以扭曲激光束的形状:而且激光束无法穿透雨水或大雾,虽然在阳光 明媚的日子里它们工作得很好。

3、有效利用物理信道

我们来想象一个场景，小明和小张真在讨论问题，小明说话的时候小张不说话，小张能不能听清小明说的？能。但是，如果他们两个人同时说话，他们能够听清对方说的话吗？很显然是不能够的。
同理如果两个信号都在同样的一条信道上进行传输，他们之间肯定相互影响，如何避免这样的影响呢？这就是这节我们需要讨论的问题。

图表示AI，B1和C1分别使用一个单独的信道和A2，B2和 C2进行通信，总共需要三个信道。但如果在发送端使用一个复用器，就可以让大家合起来使用一个共享信道进行通信。在接收端再使用分用器，把合起来传输的信息分别送到相应的终点，这就是实际中的复用技术。

图9 复用分用示意图

常见的分用技术有时分复用、频分复用、波分复用、码分复用，统计时分复用。（常见的是前4种。）

3.1 时分复用 | 统计时分复用

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。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）。TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。时分复用的所有用户是在不同时间占用同样频带宽度。

图10 时分复用示意图

这里的使用就类似于我们在操作系统中学习到的时间片的概念，一个时间片之中之有一个信号能够在信道上传递，但是这样的传递的效率就比较低了，如下图所示

图11 时分复用效率可视化

在四个时分复用帧中所有的空白区域就是没有使用的，这样的浪费时间是较多了，为了解决这个问题就产生了统计时分复用技术： 统计时分复用 STDM (Statistic TDM) ，STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。

图12 统计时分复用的工作原理

3.2 频分复用

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。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）。

图13 频分复用示意图

3.3 波分复用

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。

图14 波分复用示意图

3.4 码分复用

在上述的时分复用、频分复用、波分复用中，同一时间或同一频率上只能够有一个信号进行传播，也就是说如果能够截取这段信号，并进行破译就能直接得到这段信号对应的传播内容，也就间接反应了上述复用技术的局限性。码分复用技术就能够完美的解决这个问题。

码分复用(CDM),更加常用的是码分复用多址(CDMA)。在CDMA中，每个比特时间再划分为m个短的间隔，称为码片(chip)。 通常m的值是64或128。在下面的原理性说明中，为了画图简单起见，我们设m为8。使用CDMA的每一个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列(chip sequence)。 一个站如果要发送比特1,则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如，指派给S站的8 bit码片序列是00011011。

• 当S发送比特1时，它就发送序列00011011
• 而当S发送比特0时，就发送11100100

为了方便，我们按惯例将码片中的0写为-1,将1写为+1。因此S站的码片序列是(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)。.

对于每一个用户使用的码片序列必须是不相同的，且每个用户使用的码片序列必须是正交的。如果将两个码片序列理解为两个向量，向量正交满足两个向量的内积为0，若 两个码片序列分别表示为 $S = \{S_1, S_2, .... ,S_m \}, T = \{T_1, T_2, ... , T_m \}$，则他们满足 $(3.1)$式：
$S * T = \sum_{i=1}^{m} S_i * T_i = 0 \tag{3.1}$

此外自己的码片序列与自己的码片序列的内积永远是1，即：
$S * S = \sum_{i=1}^{m} S_i * S_i = 1 \tag{3.2}$

同理，自己的码片序列与自己的码片反码的序列的内积永远是-1
$S * (-S) = \sum_{i=1}^{m} S_i * （-S_i） = -1 \tag{3.3}$

利用 $(3.1)、(3.2)、(3.3)式$我们就能够完成数据的传输了。

图15 码分复用应用例举

发送端 $A_1, B_1, C_1$发送数据，他们分别选取不同的码片序列为 $S_a, S_b, S_c$,他们三者之间两两正交。它们同时发送信号为 $T_a, T_b, T_c$,其中信号就是包含 $\{0，1\}$的数字序列，在发送 $0$时就发送码片序列的反码序列，发送 $1$时就发送码片序列：

• 在复用器将他们合并，发送数据为 $T_i = T_{ai} +T_{bi} + T_{ci}$
• 在发送端将收到的信号 $T$传送到每一个接收端，接收端将接收的信号与自己的码片序列做内积：
  $S_a * T_i = S_a * T_{ai} + S_a * T_{bi} + S_a * T_{ci}$
  • 如果 $S_a * T_i = S_a * S_a = 1$， 表示 $A_1$发送的数据为1
  • 如果 $S_a * T_i = S_a * (-S_a)= -1$， 表示 $A_1$发送的数据为0
  • 如果 $S_a * T_i = S_a * 0 = 0$， 表示 $A_1$端没有发送数据

通过这样的计算就能做到发送端发送数据，接收端接收数据的目的。同时由于信道中的信号是多重信息叠加的效果，如果不知道中断使用的码片序列是不能够获取传从是信息的，从而提高的信道的安全性。

综上，为提高信道的利用率，我们就会使用复用技术，包括时分复用、频分复用、波分复用、码分复用与统计时分复用。前三个都是在时间或空间上分片达成复用的技术，而码分复用使用码片序列的正交性对信号进行叠加与分解做到复用技术 。

4、物理层应用 – 有线宽带接入技术

用户到互联网的宽带接入方法有非对称数字用户线ADSL (用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造、光纤同轴混合网HFC (在有线电视网的基础上开发的)和FTTx (即光纤到…）

接入技术	使用线路	源起	网速
ADSL	原有电话网络	由最原始的电话网络过度得来，网速较慢	慢
HFC	原有终端的电视网络+主干网上的光纤网络	原有终端的电视网络+主干网上的光纤	较快
FTTX	纯光纤网络	为进一步的提高网速，将原有的电话网络进一步替换为了光纤网络	快

5、总结

• 物理层的主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。
• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统、传输系统和目的系统。源系统包括源点(或源站、信源)和发送器，目的系统包括接收器和终点(或目的站，或信宿)。
• 通信的目的是传送消息。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的表现。
• 根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为模拟信号(或连续信号)和数字信号(或离散信号)。代表数字信号不同离散数值的基本波形称为码元。
• 根据双方信息交互的方式，通信可以划分为单向通信(或单工通信)、双向交替通信(或半双工通信)和双向同时通信(或全双工通信)。
• 来自信源的信号叫做基带信号。信号要在信道上传输就要经过调制。调制有基带调制和带通调制之分。最基本的带通调制方法有调幅、调频和调相。还有更复杂的调制方法，如正交振幅调制。
• 要提高数据在信道上的传输速率，可以使用更好的传输媒体，或使用先进的调制技术。但数据传输速率不可能被任意地提高。
• 传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体(双绞线、同轴电缆或光纤)和非导引型传输媒体(无线或红外或大气激光)。
• 常用的信道复用技术有频分复用、时分复用、统计时分复用、码分复用和波分复用.(光的频分复用)。
• 最初在数字传输系统中使用的传输标准是脉冲编码调制PCM。 现在高速的数字传输系统使用同步光纤网SONET (美国标准)或同步数字系列SDH (国际标准)。
• 用户到互联网的宽带接入方法有非对称数字用户线ADSL (用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造、光纤同轴混合网HFC (在有线电视网的基础上开发的)和FTTx (即光纤到…）
• 为了有效地利用光纤资源，在光纤干线和用户之间广泛使用无源光网络PON.无源光网络无须配备电源，其长期运营成本和管理成本都很低。最流行的无源光网络是以太网无源光网络EPON和吉比特无源光网络GPON。