2 物理层

1 物理层的基本概念（背）

  • 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
  • 作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
  • 用于物理层的协议也常称为物理层规程
物理层的主要任务
  • 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
      光纤是用光线不用电
    • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
      光纤是用光线不用电
    • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
      蓝牙耳机要先配对再传输

!!!2 数据通信的基础知识

2.1 数据通信系统的模型

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  • 消息(message)：如话音、文字、图像、视频等
  • 数据(data)：运送消息的实体，有意义的符号序列
  • 信号(signal)：数据的电气或电磁的表现
    • 模拟信号(analogous signal)：代表消息的参数的取值是连续的。Pasted image 20250929101137.png
    • 数字信号(digital signal)：代表消息的参数的取值是离散的。Pasted image 20250929101149.png
  • 码元:在使用时间域（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。
    • 信号由码元组成
    • 使用二进制编码时，只有两种不同的码元：0 状态，1 状态。Pasted image 20250929101201.png

2.2 有关信道的几个基本概念

  • 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体

  • 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信，没有反方向的交互。Pasted image 20250929101253.png

  • 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送（当然也就不能同时接收）。Pasted image 20250929101304.png

  • 双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。Pasted image 20250929101322.png

  • 基带信号（基本频带信号）

    • 信源发出的没有经过调制的原始的信号。
    • 包含有较多的低频成分（在远程传输的时候很容易丢），甚至有直流成分
      许多信道无法传输这种低频信号，需要调制之后再传输
    • 计算机产生的二进制信号——数字基带信号（如无特殊说明，一般情况下基带信号都指数字基带信号）
    • 由模拟信号源产生的信号——模拟基带信号

  • 调制

    • 基带调制：短距离可用。数据到数字信号，编码。仅对基带信号的波形进行变换，把数字信号转换为另一种形式的数字信号。把
    • 带通调制：经常使用。数据到模拟信号，调制。使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
（1） 常用编码方式

  • 不归零制：电平。正电平代表 1，负电平代表 0

  • 归零制：脉冲。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。
    Pasted image 20250929102231.png

  • 对比

    • 信号频率：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
    • 自同步能力
      • 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）。
      • 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力
（2） 基本的带通调制方法
  • 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。
  • 必须对基带信号进行调制
  • 方法
    Pasted image 20250929102453.png
    1. 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
    2. 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
    3. 调相(PM))：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
    4. 正交振幅调制(QAM)
      1. 一种多元制的振幅相位混合调制方法，以达到更高的信息传输速率。
        例如：
        Pasted image 20250929102626.png
        • 可供选择的相位有 12 种，而对于每一种相位有 1 或 2 种振幅可供选择。总共有 16 种组合，即 16 个码元。
        • 由于 4 bit 编码共有 16 种不同的组合，因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。数据传输率可提高 4 倍。

!!!2.3 信道的极限容量

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  • 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。
  • 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
  • 限制码元在信道上的传输速率的两个因素：
    • 信道能够通过的频率范围
    • 信噪比
（1） 信道带宽：信道能够通过的频率范围
  • 具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
  • 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。
  • 奈氏准则：码元传输的最高速率 = 2W （码元/秒）
    • 作用范围：发送器->传输系统->接收器（关心的是码元）
    • 激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量
      在带宽
    • 在带宽为 W (Hz) 的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是 2W (码元/秒)。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。
!!!（2） 信噪比
  • 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 ，并用分贝 (dB) 作为度量单位。
    信噪比
    例如：当 S/N =10 时，信噪比为10dB，而当 S/N =1000 时，信噪比为30dB。
  • 香农公式
    • 信道的极限信息传输速率 其中：
      • W 信道的带宽 (Hz)；
      • 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。
    • 作用范围：信源->发送器->传输系统->接收器->终点（关心整个信息）
    • 告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限
    • 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
    • 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
（3） 提高信息的传输速率的方法

用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量
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3 物理层下面的传输媒体

  • 传输媒体是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
  • 分类
    • 导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
    • 非导引型传输媒体：指自由空间。非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。
  • 电信领域使用的电磁波的频谱
    Pasted image 20250929103945.png

3.1 导引型传输媒体

1 双绞线

  • 最古老但又最常用的传输媒体。
  • 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。
  • 绞合度越高，可用的数据传输率越高。
    Pasted image 20250929104114.png
  • 2 大类
    • 无屏蔽 UTP(Unshielded Twisted )：价格较便宜
      Pasted image 20250929104042.png
    • 屏蔽 STP：必须有接地线，效果更好
      Pasted image 20250929104055.png

2 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。
    Pasted image 20250929105404.png
  • 具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

3 光缆

  • 光纤是光纤通信的传输媒体。通过传递光脉冲来进行通信。
  • 其传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
  • 发送端:要有光源，在电脉冲的作用下能产生出光脉冲。
    光源：发光二极管，半导体激光器等
  • 接收端：要有光检测器，利用光电二极管做成，在检测到光脉冲时还原出电脉冲。
    Pasted image 20250929105517.png
光波在纤芯中的传播

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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。当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。如果入射角足够大，就会出现全反射，光也就沿着光纤传输下去。
光线在纤芯中传输的方式是不断地全反射

多模光纤与单模光纤

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  • 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。
    • 光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，只适合于近距离传输。
  • 单模光纤
    • 其直径减小到只有一个光的波长（几个微米），可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射
    • 制造成本较高，但衰耗较小。
    • 光源要使用昂贵的半导体激光器，不能使用较便宜的发光二极管。
光纤通信中使用的光波的波段
  • 常用的三个波段的中心：
    • 850 nm，
    • 1300 nm，
    • 1550 nm。
  • 所有这三个波段都具有 25000~30000 GHz 的带宽，通信容量非常大
光缆
  • 必须将光纤做成很结实的光缆。
    • 数十至数百根光纤，
    • 加强芯和填充物，
    • 必要时还可放入远供电源线，
    • 最后加上包带层和外护套。
  • 使抗拉强度达到几公斤，完全可以满足工程施工的强度要求。
    Pasted image 20250929112455.png
光纤优点
  1. 通信容量非常大
  2. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
  3. 抗雷电和电磁干扰性能好。
  4. 无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
  5. 体积小，重量轻。

3.2 非导引型传输媒体

  • 利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信，因此将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
  • 无线传输所使用的频段很广：LF ~ THF （30 kHz ~ 3000 GHz）
    Pasted image 20250929112918.png

1 无线电微波通信

  • 占有特殊重要的地位。
  • 微波频率范围：
    • 300 MHz~300 GHz（波长1 m ~ 1 mm）。
    • 主要使用：2 ~ 40 GHz。
  • 在空间主要是直线传播。
    • 地球表面：传播距离受到限制，一般只有 50 km左右。
    • 100 m 高的天线塔：传播距离可增大到 100 km。
多径效用

基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方。多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。
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误码率（即比特错误率）不能大于可容许的范围
  • 对于给定的调制方式和数据率，信噪比越大，误码率就越低。
  • 对于同样的信噪比，具有更高数据率的调制技术的误码率也更高。
  • 如果用户在进行通信时不断改变自己的地理位置，就会引起无线信道特性的改变，因而信噪比和误码率都会发生变化。
    Pasted image 20250929113259.png
远距离微波通信：微波接力
  • 微波接力：中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。
    Pasted image 20250929113423.png
  • 主要特点
    • 微波波段频率很高，频段范围很宽，其通信信道的容量很大。
    • 工业干扰和天电干扰对微波通信的危害小，微波传输质量较高。
    • 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力通信建设投资少，见效快，易于跨越山区、江河，易于实施。
  • 主要缺点
    • 相邻站之间必须直视（常称为视距 LOS (Line Of Sight)），不能有障碍物，存在多径效应。
    • 有时会受到恶劣气候的影响。
    • 与电缆通信系统比较，微波通信的隐蔽性和保密性较差。
    • 对大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力。

2 卫星通信

  • 通信容量大，通信距离远，通信比较稳定，通信费用与通信距离无关。信号所受到的干扰也较小，通信比较稳定
  • 但传播时延较大：在 250~300 ms之间。
    请注意：“卫星信道的传播时延较大”并不等于“用卫星信道传送数据的时延较大”。
  • 保密性相对较差。造价较高。
无线局域网使用的 ISM 频段
  • 无线局域网：使用无线信道的计算机局域网。
  • 无线电频段：通常必须得到本国政府无线电频谱管理机构的许可证。
  • ISM 频段：可以自由使用（工业、科研、医疗）。
    Pasted image 20250929114157.png

4 信道复用技术

  • 复用(multiplexing)：允许用户使用一个共享信道进行通信。
    Pasted image 20250929114221.png

4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

4.1.1 频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)

  • 技术成熟但不够灵活

  • 最基本

  • 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。

  • 所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源。
    Pasted image 20250929114311.png

4.1.2 时分复用 TDM(Time Division Multiplexing)

  • 技术成熟但不够灵活，但比频分复用更有利于信号的传输

  • 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）的。

  • TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。

  • 所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
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4.1.3 频分多址与时分多址

  • 可让 N 个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这 N 个频带。这种方式称为频分多址接入 FDMA (Frequency DivisionMultiple Access)，简称为频分多址。

  • 可让 N 个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这 N 个时隙。这种方式称为时分多址接入 TDMA (Time Division MultipleAccess)，简称为时分多址

  • 需要复用器和分用器，二者成对使用
    Pasted image 20250929115234.png

4.1.4 时分复用与时分多址的区别

  • 时分复用会导致信道利用率不高
    Pasted image 20250929115116.png
  • 时分多址比时分复用的信道利用率更高————按需动态分配
    Pasted image 20250929115156.png

4.2 波分复用

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4.3 码分复用

  • 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，因此不会造成干扰。
  • 当码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
CDMA 工作原理
  • 将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
  • 为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列。
    • 发送比特 1：发送自己的 m bit 码片序列。
    • 发送比特 0：发送该码片序列的二进制反码。
      例子

      S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
      1 -> 00011011
      0 -> 11100100
      码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

码片序列实现了扩频
  • 要发送信息的数据率 = b bit/s，实际发送的数据率 = mb bit/s，
    同时，所占用频带宽度也提高到原来的 m 倍。
  • 扩频通常有 2 大类：
    • 直接序列扩频 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 。
    • 跳频扩频 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。
CDMA 的重要特点
  • 每个站分配的码片序列：各不相同，且必须互相正交 (orthogonal)。
  • 正交：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。
CDMA 工作原理

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5 数字传输系统 了解

  • 早期，电话网长途干线采用频分复用 FDM 的模拟传输方式。
  • 目前，大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。
  • 现代电信网业务括话音、视频、图像和各种数据业务。因此需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络。
  • 在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。

早期数字传输系统的缺点

  • 速率标准不统一。两个互不兼容的国际标准
    • 北美和日本的 T1 速率(1.544 Mbit/s)
    • 欧洲的 E1速率(2.048 Mbit/s)
  • 不是同步传输。主要采用准同步方式。
    各支路信号的时钟频率有一定的偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。

5.1 同步光纤网 SONET 刚出现同步时的标准

  • 各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
  • 为光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构
    • 传输速率以 51.84 Mbit/s 为基础。对电信信号称为第1级同步传送信号STS-1(Synchronous Transport Signal)，对光信号则称为第 1 级光载波 OC-1(Optical Carrier)。
    • 现已定义了从51.84 Mbit/s(即 0C-1)到 9953.280 Mbit/s(即 OC192/STS-192)的标准。

5.2 同步数字系列 SDH 现行标准

  • ITU-T 以美国标准 SONET 为基础制订的国际标准。
  • 与 SONET 的主要不同：SDH 的基本速率为 155.52 Mbit/s，称为第1级同步传递模块(SynchronousTransfer Module)，即STM-1，相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

SONET 的 OC/STS 级与 SDH 的 STM 级的对应关系
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5.3 SONET/SDH 标准的意义

  • 定义了标准光信号，规定了波长为1310 nm和1550 nm的激光源。
  • 在物理层定义了帧结构。
  • 使北美、日本和欧洲这三个地区三种不同的数字传输体制在 STM-1 等级上获得了统一。
  • 已成为公认的新一代理想的传输网体制。
  • SDH 标准也适合于微波和卫星传输的技术体制

6 宽带接入技术 了解

  • 宽带：标准在不断提高
  • 美国联邦通信委员会 FCC 定义：宽带下行速率达 25 Mbit/s，宽带上行速率达 3 Mbit/s
  • 从宽带接入的媒体来看，划分为 2 大类
    • 有线宽带接入
    • 无线宽带接入

6.1 ADSL 技术

  • 非对称数字用户线 ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line)技术:用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
  • ADSL 技术把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
  • ADSL的 ITU 的标准:G.992.1(或称 G.dmt)
  • 非对称:下行(从ISP 到用户)带宽远大于上行(从用户到ISP)带宽。
ADSL 调制解调器
  • 采用离散多音调 DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。
  • DMT 调制技术采用频分复用 FDM 方法。
  • 相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
  • ADSL 不能保证固定的数据率。
    Pasted image 20251011145828.png
ADSL 的组成

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第二代 ADSL
  • 包括 ADSL2(G.992.3和G.992.4)和 ADSL2+(G.992.5)。
  • 主要改进:
    1. 通过提高调制效率得到了更高的数据率。
    2. 采用了无缝速率自适应技术 SRA(Seamless Rate Adaptation)
    3. 改善了线路质量评测和故障定位功能。
  • ADSL并不适合于企业，因为企业往往需要使用上行信道发送大量数据给许多用户，
xDSL
  • SDSL(Symmetric DSL):对称数字用户线
  • HDSL(High speed DSL):高速数字用户线
  • VDSL(Very high speed DSL):甚高速数字用户线
  • Giga DSL:超高速数字用户线
    • 华为公司于 2012 年首先研制成功样机。
    • 使用时分双工 TDD(Time Division Duplex)和 OFDM 技术

6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

  • HFC(Hybrid Fiber Coax) 网基于有线电视网 CATV 网
  • 改造：把原有线电视网中的同轴电缆主干部分换为光纤
    Pasted image 20251011150314.png
HFC 网具有双向传输功能，扩展了传输频带

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机顶盒与电缆调制解调器（set-top box）
  • 机顶盒(set-top box):
    • 连接在同轴电缆和用户的电视机之间。
    • 使现有的模拟电视机能够接收数字电视信号。
  • 电缆调制解调器(cable modem)
    • 将用户计算机接入互联网。
    • 在上行信道中传送交互数字电视所需的一些信息。
    • 不需要成对使用，而只需安装在用户端。
    • 复杂，必须解决共享信道中可能出现的冲突问题

6.3 FTTx 技术

  • 代表多种宽带光纤接入方式。
  • FTTx 表示 Fiber To The..(光纤到..)，例如:
    • 光纤到户 FTTH(Fiber To The Home):在光纤进入用户的家门后才把光信号转换为电信号。
    • 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)
    • 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)
    • 光纤到小区 FTTZ (Fiber To The Zone)
    • 光纤到办公室 FTTO(Fiber To The Office)
    • 光纤到桌面 FTTD(Fiber To The Desk) 等。
光配线网 ODN

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  • 光配线网 ODN(Optical Distribution Network):位于光纤干线和广大用户之间。

  • 无源的光配线网常称为无源光网络 PON(Passive Optical Network)。

  • 采用波分复用 WDM，上行和下行分别使用不同的波长。

  • 2 种最流行的无源光网络 PON(Passive Optical Network)

    • 以太网无源光网络 EPON(Ethernet PON)
      • 在链路层使用以太网协议，利用 PON 的拓扑结构实现以太网的接入。
      • 与现有以太网的兼容性好，并且成本低，扩展性强，管理方便。
    • 户吉比特无源光网络 GPON(Gigabit PON)
      • 采用通用封装方法 GEM(Generic Encapsulation Method)，可承载多业务，且对各种业务类型都能够提供服务质量保证，总体性能比EPON好。
      • 成本稍高。
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