物理层

通信基础

概念

数据、信号、码元

  • 数据：传送信息的实体，传输方式有串行和并行
  • 信号：数据的物理表现，如电信号和磁信号。
  • 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。

通信上的概念

信道按照传输信号形式的不同，可分为模拟信道和数字信道。按照传输介质划分可以分为有线信道和无线信道。

信号有基带信号（数字信号）和宽带信号（模拟信号）。

  • 基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。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。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。
    • 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。
    • 带通调制：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，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。
  • 带通信号：经过载波调制的信号。

通信方式分为全双工（可以同时收发信息），半双工（同一时间只有一个人可以收发信息），单工通信（只有一个人能发送信息）三种方式。

速率、带宽

速率有两种表示形式：

  • 码元速率（也叫波特率）：单位时间内传输码元的数量，单位是 sym/s 也可以使用 Baud。
  • 信息传输速率：单位时间内传输的信息量，单位是bit/s。

传输二进制信号的码元速率和信息传输速率数值上相等。

带宽：信号具有的频带宽度，单位是 HZ，但是也可以表示为最高数据传输率，带宽的单位同信息传输速率，都是 bit/s，也用bps 来表示。

奈奎斯特定理和香农定理

奈氏准则

理想低通信道（无噪声，带宽有限）中，码元的极限传输速率是信道带宽的两倍。信息传输速率需要再在此基础上乘上每个信道的信息量（\(log_2 V\)，V为每个信号的离散取值个数）。

我们可以得到下面结论：

  • 码元传输速率是有限的，超过这个上限会出现码间串扰。
  • 奈氏准则只给出了码元速率的极限，没有给出信息速率的极限。

因此采用较好的调制方式，使得每个码元的信息量更大，可以提高在奈氏准则约束下 固定带宽 的信息信息传输速率。

香农定理

带宽受限，且有高斯白噪的信道极限传输时，极限传输速率是

\(W\log_2(1+\frac{S}{N})\)

单位为 bit/s

其中 \(\frac{S}{N}\) 是信噪比，信息传输功率与噪声功率的比值。

编码与调制

编码是把数据转为数字信号的过程，调制是把数据转为模拟信号的过程。

数字数据编码为数字信号

有以下几种编码方式：

  • 归零编码：每个码元的后半个周期，数据电平跳变到0。
  • 非归零编码：单纯的0表示低电平，1表示高电平，但是无法做到同步。
  • 反向非归零编码：用是否跳变来表示 0 还是 1。
  • 曼彻斯特编码：码元平分半个周期，只有先高后低或者先低后高两种情况，分别表示 0 和 1。也可以这么考虑：位的中间一定会发生跳变，上跳表示 0，下跳表示1。即先低后高（上跳变）表示 0，先高后低（下跳变）表示 1。
  • 差分曼彻斯特编码：码元平分半个周期，同样码元中间一定会出现跳变，但是此时我们需要看开头了，第一个码元的前半个周期，1表示1，0表示0。第二个码元会看看第一个码元的后半部分是高还是低，0的话会在开头发生跳变，1的话不会发生跳变。

差分曼彻斯特编码例子：

1
2
对于这样的二进制数据： 0 1 1 1 1 1 1
差分曼彻斯特编码为： 低高 高低 低高 高低 低高 高低 低高

因为第一个码元是 0，所以最开始是低电平，然后中间跳变变成高电平，第二个码元是 1，因此开头不发生跳变（相对于上个码元的后半部分），还是高，第二个码元中间发生跳变，变成低。同理第三个码元开头不发生跳变，因此是先低再高，之后类推。

数字数据调制为模拟信号

有以下三种基本方式：

  • 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。

在频率相同的情况下，可以把 AM 和 PM 结合起来，形成正交振幅调制（QAM），假设有 n 个相位，m个振幅，那么它每个码元包含的信息量就是 \(\log_2nm\)

不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加。

模拟数据编码为数字信号

模数转换，就是采样+量化。

奈奎斯特采样定理：当采样频率>\(2f\) 时，我们可以不失真地还原模拟信号。

模拟数据调制为模拟信号

略

交换方式

传送门

数据报与虚电路

这是分组交换的两种方式。

数据报

这跟我们所理解的 IP 协议差不多：尽最大努力交付，不建立连接，随时发送，分组不一定按序到达，不保证可靠性。延时较小，提高了网络吞吐量，对故障适应能力强，分组独立转发，不同的分组可能走不同的路由，流量控制只能依靠端系统来进行。

虚电路

有连接的，并且一旦建立连接就会分配物理链路。这里的开销，对于小量短分组来说显得浪费，但是长时间频繁交换数据的效率比较高。虚电路提供可靠的通信功能，保证每个分组正确有序到达，也可以自主进行流量控制。但是当结点遭到破坏的时候，所有要经过该节点的虚电路将失效，属于同一条虚电路的分组一定按照同一路由转发。

错题解析

  • 以太网使用曼彻斯特编码，因此两个电平传输一位数据，因此波特率是信息率的两倍。即 40M baud 的以太网数据率只有 20Mbps。
  • 奈奎斯特定理和香农定理所算出的理论最大值应取最小作为系统的最大极限值。
  • 报文交换的特点是，分组大小不固定，使用存储转发的方式路由分组，因此时延长且不固定。
  • 如果追求延时低，那么电路交换的确是最好的选择。
  • 分组交换比报文交换最主要的优点是降低了时延。
  • 虚电路交换所建立的是永久链接。
  • 无噪声情况下，使用奈氏准则算信息率公式为 \(2W\log_2(x)\) x为信息的取值个数。有噪声的情况下，需要额外使用香农公式计算值，两者取最小值。
  • 虚电路网络不需要预分配带宽。

传输介质

双绞线、同轴电缆、光纤、无线传输介质

双绞线

铜线制成，传输距离几千米到十千米，为了提高抗干扰能力，会添加金属丝编制成的屏蔽层。

价格便宜，可以传输数字信号和模拟信号，距离过大需要使用中继器（数字）或放大器（模拟）整形或者放大信号。

局域网、电话线中应用普遍，价格便宜。

同轴电缆

由内导体，绝缘层、屏蔽层、绝缘保护层组成。

有两个标准，50Ω用于传输基带数字信号，在局域网中应用广泛；75Ω用于传播宽带信号，在有线电视中应用广泛。

有良好的抗干扰特性，传输距离更远，价格更贵。

光纤

主要应用了物理上的全反射性质。通信容量大，传输损耗小，抗雷电和电磁干扰能力好，体积小重量轻。

单模光纤是指把光纤直径减小到只有一个光的波长，这样就不会多次反射，可以传输数十千米，但是制造成本很高。

多模光纤的光脉冲会在传输的时候逐渐展宽，因此会造成失真，只适合近距离传输。

无线介质

  • 无线电波：具有较好的穿透能力，可以传输很长距离。
  • 微波，红外，激光：沿直线传播，对于信号发射的方向性有要求，在地面传播距离有限，超过一定距离要使用中继站。
  • 卫星通信优点是容量大距离远，覆盖广，缺点是保密差，端到端时延长。

物理层接口特性

主要有下面四个特性：

  • 机械特性：指明接口的形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
  • 电气特性：电压范围。
  • 功能特性：指明电压表示何种意义。
  • 过程特性（规程特性）：指明对于不同功能的各种可能事件出现顺序。

物理层设备

主要有中继器和集线器。

中继器主要用于放大整形信号，端口仅作用于电气部分的特性。因为是物理层设备，不能连接两个不同速率的局域网。

集线器（Hub）主要用于发生广播信号，从一个端口进去的数据会广播除了源端口以外的所有端口。

错题解析

  • 传统以太网采用广播方式发送信息，同一时间只允许一台主机发送，所以通信方式是半双工。
  • 同轴电缆比双绞线传输速率快主要是因为同轴电缆具有更高的屏蔽性，有更好的抗噪性。