二、物理层
2.1 基本概念
1)传输媒体的接口的特性
- 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的意义。
- 过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
2)常用术语
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数据(data):运送消息的实体。
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信号(signal):是数据的电气或电磁的表现。
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模拟信号:或称为连续信号,代表消息的参数的取值是连续的。
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数字信号:或称为离散信号,代表消息的参数的取值是离散的。
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码元:在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
3)通信信息交互方式
- 单向通信:又称为单工通信,即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
- 双向交替通信:又称为半双工通信,即通信的双方都可以发送信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收,过一段时间后可以再反过来。
- 双向同时通信:又称为全双工通信,即通信的双方可以同时发送和接收信息。
4)通信中两种常见信号
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基带信号(baseband signal):来自信源的信号。指没有经过调制的数字信号或模拟信号。
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带通(频带)信号(bandpass signal):把基带信号经过载波调制后,把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道),这里调制过后的信号就是带通信号。
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5)常用编码方式
- 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。(传统以太网采用的就是曼彻斯特编码)
- 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。
6)基本的带通调制方法
- 调幅(AM):即载波的振幅随基带数字信号而变化。
- 调频(FM):即载波的频率随基带数字信号而变化。
- 调相(PM):即载波的初始相位随基带数字信号而变化。
7)奈氏准则和香农公式
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奈氏准则:码元传输数率受奈氏准则的限制。
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香农公式:信息传输速率受香农公式的限制。
信噪比:指信号的平均功率和噪声的平均功率之比。
信噪比公式: ,单位:dB。
信道极限传输速率C: ,单位:bit/s。
扩展: 信噪比的两种表示形式(等价)
- 数字形式:也就是一般的数值,比如信号功率为100,噪声功率为1,则信噪比为S/N=100/1=100,没有单位。
- 分贝形式:同样还是上面这些数字,则以分贝形式表示的信噪比为10lg(S/N)=10lg(100)=20dB。
2.2 物理层下面的传输媒体
2.2.1 导引型传输媒体
1)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(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。
2)同轴电缆:同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层(也可以是单股的)以及保护塑料外层所组成。
3)光缆(光纤):光纤通常由非常透明的石英玻璃拉成细丝,主要由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。
- 多模光纤:可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
- 单模光纤:若光纤的直径减小到只有一个光的波长,则光纤就像一根波导那样,它可使光线一直向前传播,而不会产生多次反射。
- 单模光纤和多模光纤的比较: 单模光纤数据传输速率更高,传输距离更远,纤芯直径更细,但成本较高。相比之下多模光纤数据传输速率较低,传输距离较近,纤芯直径较粗,但成本较低。
2.2.2 非导引型传输媒体
1)短波通信:即高频通信,主要是靠电离层的反射。通信质量较差。
2)无线电微波通信
- 地面微波接力通信
- 卫星通信:传播时延较大。
3)红外通信
4)激光通信
2.3 信道复用技术
1)频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing):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(Time Division Multiplexing):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。
3)统计时分复用STDM(Statistic TDM):是一种改进的时分复用,它能明显地提高信道的利用率。
4)波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing):就是光的频分复用。
5)码分复用CDM(Code Division Multiplexing):每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各用户之间不会造成干扰。
- 站点发送1,则直接发送码片序列。站点发送0,则发送码片序列的二进制反码。
- 两个不同站的码片序列正交,就是两个向量的规格化内积(inner product)都是0。另外,和另一个站的码片反码的向量的规格化内积也是0。这里规格化内积就是码片序列对应位相乘再相加得出的和。
- 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
2.4 宽带接入技术
1)非对称数字用户线ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带数字业务,而不需要重新布线。
2)光纤同轴混合网(HFC网,HFC是Hybrid Fiber Coax的缩写)是在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。
3)FTTx技术,表示Fiber To The…。这里字母x可代表不同的光纤接入地点。实际上,FTTx就是把光电转换的地方,从用户家中(这时x就是H)向外延伸到离用户家门口有一定距离的地方。