第六章、物理层

物理层：指物理信道，不是具体的传输介质；定义了建立、维护和拆除物理链路的规范和标准，同时也定义了物理层接口通信的标准。物理层接口协议主要任务就是解决主机、工作站等数据终端设备与通信线路上通信设备之间的接口问题

一、数据通信基础

数据通信基本概念

1、消息：人类能够感知的描述。 例如：眼睛看到的文字和图像；耳朵听到声音；鼻子闻到气味等。

2、信息：对事物状态或存在方式的不确定性表述。 消息中所包含的有意义的内容，消息是信息的载体

3、通信：在一点精确或近似地再生另一点的信息。

4、通信系统：能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体。

5、信号：在通信系统中，信息在传输通道中传播的载体

6、数据（选择） 对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记载的符号及其组合，通常是数字、 文字、图像等，也可以是其他抽象的符号

7、信道（选择） ：传输信号的媒介； 狭义信道：仅是指信号的传输介质。 广义信道：不仅是传输介质，而且包括通信系统中的一些转化装置。

信道有三种状态：

（1）传输状态：一个通信站使用信道，其他站禁止使用；

（2）竞争状态：所有通信站都有权尝试对信道的使用权；

（3）空闲状态：没有通信站使用信道。

数据通信系统的构成

• 1、信源：将消息转换为信号的设备。
• 2、发送设备：将信源产生的信号进行适当变换的装置。主要包括编码和调制。
• 3、信道：传输信号的媒介。
• 4、接收设备：完成发送设备的反变换，即进行译码和解调。
• 5、信宿：信号的终点，将信号转换为供人们识别的消息。
• 6、噪声源：自然界和通信设备所固有的，对通信信号产生干扰和影响的各种信号

模拟通信：模拟信号，信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。 自变量：可以连续的，可以离散的。 因变量：一定连续的。

数字通信：数字信号， 自变量：离散的。 因变量：离散的

数据通信方式：

• 1、数据传输方向：单向通信（例如：无线电广播）、双向交替通信(半双工，例如无线对讲机系统)和双向同时通信(全双工)
• 2、数据传输时空顺序：并行通信和串行通信
• 3、数据同步技术： 异步通信：发送字符，不需建立同步时钟，实现简单，适用低速网络 ；同步通信：发送数据块，双方建立同步时钟，实现复杂，适用高速网络。

数据通信系统的功能

• 1、信道的利用；
• 2、接口及信号产生；
• 3、同步；
• 4、差错检测与纠正；
• 5、寻址与路由；
• 6、网络管理；
• 7、安全保证；

二、物理介质

================导引型传输介质====================

导引型传输介质：有线信道；以导线为传输介质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输 效率高，但是部署不够灵活 ；分类：架空明线 、双绞线 、同轴电缆 、光纤

架空明线：优点：传输损耗较低 ； 缺点：易受天气和外界电磁干扰。对外界噪声敏 感。带宽有限。

双绞线：将两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起；1、分类： 屏蔽双绞线（ STP ）：性能好。价格高，安装工艺复杂。2、 非屏蔽双绞线（UTP）：使用更普遍

 同轴电缆：对外界干扰具有较好的屏蔽作用，具有较好的抗电磁干扰性能。目前多用于 有线电视网络。

 光纤：基本原理是利用了光的全反射现象。

优点： 

• 光纤通信容量非常大，最高可达100 Gbit/s。
• 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。

光纤分类：

• 1、根据光纤的折射率是否突变分为：阶跃（折射率）型光纤和梯度（折射率）型光纤。突变是阶跃型光纤。
• 2、按照光纤内光波传输模式的不同：多模光纤和单模光纤

===========非导引型传输媒介===============

非导引型传输媒介：无线信道

电磁波在自由空间的传播

 三、信道与信道容量

信道 通信系统中连接发送端与接收端的通信设备，实现从发送端到接收端的信号传送；

分为广义信道和狭义信道。 狭义信道：信号传输介质 ；广义信道：包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置。

==========广义信道的分类与组成================

 编码信道：数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分；数字信道。编码信道可分为无记忆编码信道和有记忆编码信道。

 调制信道：指信号从调制器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分。模拟信道

================信道传输特性==============

不同类型的信道对信号的影响差异较大：

• 随机参数信道(随参信道)：信号通过信道发生畸变是时变的。
• 恒定参数信道(恒参信道)：信号通过信道发生畸变和时间无关

随参信道传输特性：大部分无线信道(依靠地波和天波传播的无线电信道)

• 1、信号的传输衰减随时间随机变化
• 2、信号的传输时延随时间随机变化
• 3、存在多径传播现象

恒参信道传输特性：各种有线信道和部分无线信道(微波视线传播链路)

• 1、对信号幅值产生固定的衰减
• 2、对信号输出产生固定的时延

==============信道容量==============

信道容量：信道无差错传输信息的最大平均信息速率。衡量信道的传输能力

1、信道的带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度 用码元速率(或符号速率)描述，单位是Baud

2、传输速率是信道单位时间内传输的码元(或符号)或信息的能力 用传信率(或信息速率)来描述，单位是bit/s

 

 

 四、基带传输

模拟信源：电话

数字信源：电脑

基带信号：信源发出的没有经过调制的原始信号。

数字信号在数字通信系统中的传输方式：基带传输、频带传输

数字基带传输：在信道中传输数字基带信号；实现数字基带传输的系统称为数字基带传输系统。

基带传输：直接在信道传送基带信号；实现基带传输的系统称为基带传输系统

在数字基带传输系统中，信号形成器的作用就是把原始的数字基带信号变换为适合信道传输特性的数字基带信号。 

数字基带传输编码

 将数据映射为脉冲信号的信号码（数字基带信号码型）：

• 1、单极不归零码
• 2、双极不归零码
• 3、单极归零码
• 4、双极归零码
• 5、差分码(相对码)

 

 

 

 将数字基带信号的基本码型变换为适合传输的数字传输基带传输码型： AMI码；双相码；米勒码；CMI码；nBmB码； nBmT码；

 

 

 

 

五、频带传输

• 基带信号，具有低通特性，可以用在低通特性的信道(有线信道)中进行传输。 无线信道，是带通特性。因此只能利用基带信号去调制不对应信道传输特性相 匹配的载波信号
• 数字调制：利用数字基带信号控制载波信号的特征参量，使载波信号的这些参量的变化反映数字基带信号的信息，进而将数字基带信号变换为数字通带信号的过程。
• 数字解调：在接收数据端需要将调制到载波信号中的数字基带信号卸载下来，还原为 数字基带信号的过程。
• 数字频带传输系统：实现调制、传输与解调的传输系统。

 

 幅值：最高点到x轴的距离，或者最低点到x轴的距离

频率：

相位：波在x轴平移

1、数字调制的基本方法

利用数字基带信号控制载波信号的某个(或某些)参数的变化。 （利用0或1控制载波的幅值、频率或相位。）

幅移键控(ASK)：调制载波的幅值

频移键控(FSK)：调制载波的频率

相移键控(PSK)：调制载波的相位

2、频带传输中三种调制方式

• 一、二进制数字调制：数字通信系统频带传输的基本斱式
• 二、多迚制数字调制
• 三、正交幅值调制

=============二进制数字调制==========

1、二进制幅移键控（2ASK）: 利用二进制基带信号控制载波信号的幅值变化。

基带编码 编码信息为0时：调制后为一段幅值为0的载波信号。

基带编码 编码信息为1时：调制后为一段幅值为A的载波信号

二进制频移键控（2FSK）： 利用二进制基带信号控制载波信号的频率变化。

基带编码 编码信息为0时：调制后为一段频率为f1的载波信号。

基带编码 编码信息为1时：调制后为一段频率为f2的载波信号

 3、二进制相移键控（2PSK）： 利用二进制基带信号控制载波信号的相位变化。

基带编码 编码信息为0时：调制后为一段相位为φ1的载波信号。

基带编码 编码信息为1时：调制后为一段相位为φ2的载波信号。

 二进制差分相移键控（2DPSK）： 利用相邻两个码元载波间的相对相位变化表示数字基带信号的数字信息。

 二进制数字调制性能：

• 频带利用率：频移键控最低。
• 误码率：相移键控误码率最低；幅移键控误码率最高。
• 对信道特性的敏感性：幅移键控最敏感

================多进制数字调制==============

 

 ===============正交幅值调制==================

正交幅值调制QAM（幅值相位联合键控（APK））

基本思想是：二维调制技术，对载波信号的幅值和相位同时迚行调制的联 合调制技术。

优点：频带利用率高；抗噪声能力强；调制解调系统简单；

六、物理层接口规程

物理层主要任务

• 1、在传输介质上实现无结构比特流的传输。
• 2、规定数据终端设备(DTE)和数据通信设备(DCE)之间接口的相关特性。 DTE ：Data Terminal Equipment     DCE： Data Communication Equipment

物理层接口特性：机械特性、 电气特性、 功能特性、 规程特性

• 1、机械特性：指明通信实体间硬件连接口的机械特点。 例如：常用的电源插头的尺寸。
• 2、电气特性：规定了物理连接上，寻线的电气连接及有关电路特性。 例如：信号的电平。
• 3、功能特性：指明物理接口各条信号线的用途等。 例如：数据信号线、控制信号线
• 4、规程特性：通信协议，指明利用接口传输比特流的全过程。 例如：事件执行顺序。 

频带利用率：频移键控最低。 误码率：相移键控误码率最低；幅移键控误码率最高。 对信道特性的敏感性：幅移键控最敏感