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物理层

物理层基本概念

物理层功能

  • 位置：物理层是网络体系结构中的最底层

  • 功能：如何在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流

  • 作用：尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

物理层特性

接口特性

  • 数据终端设备（DTE）：一种具有一定的数据处理和转发能力的设备

  • 数据电路终结设备（DCE）：在 DTE 和传输线路之间提供信号变换和编码的功能

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  • 标准化的 DTE/DCE 接口具有：机械特性、电气特性；功能特性、过程特性

  • 物理层协议是 DTE 和 DCE 间的约定，规定了两者之间的接口特性。

机械特性

  • 涉及接口的物理结构，通常采用接线器来实现机械上的连接
  • 定义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

  • 规定了 DTE/DCE 之间多条信号线的电气连接及有关电路特性

发送器和接收器的电路特性、负载要求、传输速率和连接距离等

过程特性

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物理层标准及示例

物理层常用标准

  • 点对点通信线路用于直接连接两个结点

  • 点对点通信线路的物理层标准

    • EIA RS-232-C 标准
    • EIA RS-449 标准

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  • 广播通信线路：一条公共通信线路连接多个结点

  • 广播通信线路的物理层标准

    • 传统以太网 IEEE 802.3：10BASE-T 等
    • 快速以太网
    • 千兆以太网
    • 万兆以太网
    • 无线局域网 802.11

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数据通信基础

数据通信基础理论

傅里叶分析

  • 网络通信中，信息是以电磁信号的形式传输的
  • 电磁信号是时间的函数，也可以表示成频率的函数
  • 根据傅立叶分析，任何电磁信号可以由若干具有不同振 幅、频率和相位的周期模拟信号 (正弦波) 组成

有限带宽信号

信号在信道上传输的特性

  • 带宽越大，承载信息的能力越高

  • 即使对于完善的信道，有限的带宽限制了数据的传输速率

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波特率和比特率
  • 波特率：每秒钟信号变化的次数，也称调制速率
  • 比特率：每秒钟传送的二进制位数

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信道的最大数据传输速率

奈魁斯特定理 $$ 最大数据传输率=2Hlog_2 V(bps) $$ 任意信号通过一个带宽为 H 的低通滤波器，每秒采样 2H 次就能完整地重现该信号，信号电平分为 V 级

信噪比，信号速率 S 与噪声功率 N 之比，\(10\log _{10}S/N\)，单位：分贝

香农定理

  • 带宽为 H 赫兹，信噪比为 S/N 的任意信道的最大数据传输率为：\(H\log_2(1+S/N)\ (bps)\)

  • 与信号电平级数、采样速度无关

  • 此式仅是上限，难以达到

信息量

  • 一条消息包含信息的多少称为信息量

  • 信息量的大小与消息所描述事件的出现概率有关

  • 一条消息所荷载的信息量等于它所表示的事件发生的概率 \(p\) 的倒数的对数 $$ I=\log_a \frac{1}{p}=-\log_a p $$

基本概念与术语

传输方式

数字通信和模拟通信

串行传输和并行传输

点到点传输和点到多点传输

单工、半双工、全双工传输

异步传输和同步传输

  • 异步传输：被传输的每一个字符都附加有1个起始位和1个停止位。起始位和停止位的极性不同
  • 同步传输：每一个字符使用起止位按位进行传输，数据块以帧作为整体传输

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基带传输和频带传输

  • 频带传输：BPSK，QPSK，QAM

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数据编码技术

研究数据在信号传输过程中如何进行编码 (变换)

不归零制码

曼彻斯特码 (相位编码)

  • 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”

  • 优点：克服 NRZ 码的不足每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步

差分曼彻斯特码 (Differential Manchester)

  • 原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据
  • 优点：时钟、数据分离，便于提取

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性能度量

传输速率

带宽
数字通信和模拟通信相比较

模拟信道的容量

数字信道的容量

频带利用率

信噪比 SNR

平均误码率

传输介质

传输介质分类

  • 导引性传输介质
  • 非导引性传输介质

导引性介质

双绞线

同轴电缆

电力载波

非导引性介质

短波传输 (无线电波)

电离层的构成

多径传播
多径时散

散波传输 (无线电波)

地面微波

光波传输

光波通信目前有三种分类

  • 按照光源特性的不同，分为激光通信和非激光通信
  • 按照传输媒体的不同，分为大气激光通信和光纤通信
  • 按照传输波段的不同，光波通信分为可见光通信、红外线通信和紫外线通信
大气激光通信
红外线通信
可见光通信

无线与卫星通信

无线通信的基本概念

无线通信系统分类

多路复用技术

复用技术的目的是：允许用户使用同一个共享信道进行通信，避免相互干扰，降低成本，提高利用率。

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频分复用

频分复用：将多路基带信号调制到不同频率载波上，再进行叠加形成一个复合信号。

  • 所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源
  • 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

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时分复用与统计时分复用

时分复用 TDM

时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧

  • 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)的
  • 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度

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存在的不足：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

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统计时分复用

统计时分复用：动态地 按需分配共用信道 的时隙，只将需要传送数据的终端接入共用信道，以提高信道利用率。

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波分复用

波分复用：利用多个激光器在单条光纤上同时发送多束不同波长激光

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码分复用

码分复用：利用码序列相关性实现的多址通信，基本思想是靠不同的地址码来区分的地址。

码片序列

  • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
  • 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。

码片序列的正交关系

  • 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
  • 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，S 和T 的规格化内积 (inner product) 等于 0
  • 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

码分复用举例

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CDMA 编码和解码过程

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正交频分复用

  • 将信道分成若干个正交子信道
  • 将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输

空分复用