物理层
本文共--字 阅读约--分钟 | 浏览: -- Last Updated: 2021-04-18
物理层负责将所有的比特位数据转换成物理信号在线路进行传输。
数据通信基础
基本概念
1、消息：人类能够感知的描述称为消息；
2、信息：信息是对事物状态或存在方式的不确定性表述，信息是可以度量的；
3、通信：本质就是在一点 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：通信系统中，在传输通道中传播的信息的载体；
6、数据：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；
7、信道：信道是以传输介质为基础的信号通道；
主要传输的是信号，信号是信息的载体，将信息转换为信号在传输通道中传输；
数据通信系统模型
1、通信系统的构成：信源、发送设备、信道、接收设备、信宿、噪声源。发送设备负责将信号进行编码和调制，接收设备负责将信号译码和解调。
2、模拟通信：模拟信号，信号的因变量是连续的。
3、数字通信：数字信号，信号的因变量是离散的，不是0就是1。
4、数字通信方式：
- 单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）、双向同时通信（全双工） ；
- 并行通信和串行通信；
- 异步通信和同步通信；
5、数据通信系统的功能：
- 信道利用：信道通常被多个通信设备共享，需要有某种技术为多个用户合理分配，例如多路复用技术；
- 接口及信号的产生：保障终端与传输系统间的信息交互，产生能在信道上传播，并能被接收器转换还原成数据的信号
- 同步：发送器和接收器达成约定，接收器能够正确判断信号开始到达和结束的时间点，同时知道每个信号单元的持续时间。
- 差错检测和纠正：能够发现通信系统中各种原因造成的信号失真，并纠正由其引起的数据差错；
- 寻址和路由：当两个以上设备共享传输设施时，终端系统必须拥有独立且唯一的地址标识；如果传输系统本身具有多条路径，某条特定的路径能够被选择出来进行数据传输；
- 网络管理：数据通信设施是非常复杂的系统，不能自动创建和运行，需要各种管理功能来规划、设置、监控、调度和维护。
- 安全保证：数据能够在源点和终点间不被改变地传输，且不被其他用户非法获取。
物理介质
导引型传输介质
1、架空明线：架空明线是指平行且相互分离或绝缘的架空裸线线路，通常采用铜线或铝线等金属导线。
2、双绞线：两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起，减少对相邻导线的电磁干扰。有屏蔽层的称为屏蔽双绞线(STP)，没有屏蔽层的称为非屏蔽双绞线(UTP)，UTP被用于局域网-以太网上，因为成本低。
3、同轴电缆：抗电磁干扰性能好，主要用于频带传输，如有线电视。
4、光纤：基本原理是利用光的全反射，通信容量大、距离远、抗电磁干扰性能好、保密性好。有多模光纤和单模光纤。
非导引型传输介质
1、地波传输：低频信号，沿地球表面出传播。
2、天波传输：较高频信号，利用电离层的反射传播。
3、视线传播：高频信号，点对点直线传播，不能有遮挡，所以需要很高的基站；又因为地球是圆的，本身就不能传播直线距离很远，所以需要有中继站在地面接力传输。还有一种利用卫星进行视线传播，先发送到卫星，再由卫星发送户地面基站。
信道与信道容量
信道的分类与模型
狭义信道：信号传输介质。
广义信道：信号传输介质和通信系统的一些变换装置。
广义信道分为调制信道和编码信道，调制信道指信号从调制器的输出端到解调器的输入端经过的部分；编码信道指信号从编码器的输出端到译码器输入端经过的部分
信道传输特性
1、恒参信道：各种有线信道和部分无线信道，传输特性变化小、缓慢，如微波视线传播链路和卫星链路等，都属于恒参信道。
对信号传输的影响：
- 对信号幅值产生固定的衰减
- 对信号输出产生固定的时延
2、随参信道：传输特性随时间随机快速变化，许多无线信道都是随参信道。
对信号传输的影响：
- 信号的传输衰减随时间随机变化
- 信号的传输时延随时间随机变化
- 存在多径传播现象，多径传播是指发射天线发出的电磁波可能经过多条路径到达接收端，每条路径对信号产生的衰减和时间都随时间随机变化，对信号传输质量影响很大。
信道容量
信道容量是指信道毫无差错传输信息的最大平均信息速率。
1、连续信道容量
理想无噪声信道的信道容量，奈奎斯特公式为C = 2Blog2M。其中C为信道容量，单位是bit/s；B为信道带宽，单位为Hz；M为进制数，即信号状态数。
有噪声连续信道的信道容量，香农公式：
输入功能率为S，信道加性高斯白噪声的功率为N，S/N为信噪比，为信号功率与噪声功率之比，而信噪比通常单位是dB分贝。
C = Blog2(1 + (S/N)功率)
(S/N)dB = 10log10(S/N)功率
例，已知信噪比为30dB，信道宽带为8k Hz，求信道容量C。
C = 8000 * log2(1 + (S/N)功率)
10log10(S/N)功率 = 30dB，所以(S/N)功率 = 1000
所以C = 8000 * log2(1 + 1000) 约等于 8000 * 10 = 80000 bit/s = 80 kbit/s
故总结规律：(S/N)功率 = 10 ^ (信噪比dB / 10)
2、离散信道容量
离散信道容量可以用两种方式度量：一种是每个符号能够传输的最大平均信息量表示的信道容量；另一种是单位时间内能够传输的最大平均信息表示的信道容量。
基带传输
基带传输基本概念
模拟基带信号：模拟信源发出的原始电信号。
数字基带信号：数字信源发出的基带信号。
模拟基带信号可以通过信源编码转换为数字基带信号。
基带传输：直接在信道中传送基带信号。
接收滤波器的作用就是要滤除噪声，得到有利于抽样判决的基带波形。抽样判决器则基于同步提取从信号中提取的定时脉冲，对接收滤波器输出的基带信号进行抽样判决。
数字基带传输码型
信号码型
1、单极不归零(Not Return to Zero,NRZ)，脉冲要么是正电平(表示1)要么是零电平（表示0），不需要归零。(通俗理解为表示完一位后不需要回到零电平)，只有正极和0，所以叫单极不归零
2、双极不归零码：使用正电平表示1，使用负电平表示0，表示完一位后不需要归零。有正负极，所以叫双极不归零。
3、单极归零码(Return to Zero,RZ)，只有正电平和零电平，表示完一位后需要回归零电平；1的波形是前半部分为正电平，后半部分回归到0电平，0就是前半部分和后半部分都是0电平。
4、双极归零码：有正负极，即正电平表示1，负电平表示0，表示完一位后需要回归零电平。1的波形是前半部分为正电平，后半部分回归到0电平，0就是前半部分是负电平和后半部分都是0电平。
5、差分码：只有正电平和零电平，相邻脉冲用电平跳变表示1，无跳变表示0。跳变发生在正电平和零电平之间。即如果下一位是1，改变当前电平，如果是0，则不用改变当前电平。
基带传输码型
1、AMI码(Alternative Mark Inversion)——信号交替反转码
使用3种电平进行编码，零电平代表0，1则交替使用正电平和负电平表示，也分RZ码和NRZ码，即是否归零，归零则是将脉冲周期分为两部分。上一次1如果是使用正电平表示的，AMI就是+1；那么下一个1的就AMI码就是-1，使用负电平表示。
2、双相码——曼切斯特码(Manchester)
只有正负电平两种，正电平跳到负电平表示1，负电平跳到正电平表示0，没有零电平，也是将脉冲周期分为两部分，1的时候，正跳负；0的时候，负跳正；
3、差分双相码
相对于前一位，起始位置有跳变表示1，无跳变表示0，也是正跳负、负跳正，但是不再用这种形式标识1和0，而是依靠前一位码是什么，用跳变或无跳变来表示，所以第一位影响整个码型。
4、米勒码
双相码的变形，其中1用双相码的10或者01表示，连1时，交替表示；单1时，起始位置跟前面的0保持不变，使用10或01；连0时，00和11交替表示，单0是，起始位置和前面的1保持不变。
5、CMI码(Coded Mark Inversion)，传号反转码
将信息码的1位映射为双极不归零码的2位，将0表示为双极不归零码的01，将1交替使用双极不归零码的11和00。
频带传输
频带传输基本概念
数字调制：利用数字基带信号控制载波信号的某些特征参量，使得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。
数字调制的基本方法就是利用 0或1控制 或者 选择载波的不同幅值、频率或相位，即利用两种不同的幅值、频率或相位来分辨表示基本信息0或1。这种调制方法被称为键控法，所以有幅移键控ASK，频移键控FSK，相移键控PSK。
频带传输中的三种调试方式
二进制数字调制
1、二进制幅移键控 2ASK
二进制幅移键控：载波信号幅值随基带信号变化。载波信号是具有一定频率和幅度的连续信号；利用一组载波，当数字基带信号为1时，截取相应周期内的载波进行传输，为0时不截取。
2、二进制频移键控 2FSK
二进制频移键控：随基带信号的变化而选择不同频率载波信号。利用两组载波，当数字信号为1时，截取相应周期内频率高的载波进行传输；为0时截取相应周期内频率低的载波进行传输。
3、二进制相移键控 2PSK
二进制相移键控：载波信号相位随基带信号变化，利用一组载波，当数字信号为1时，截取相应周期的内的载波并改变相位（相反的画法，类似于这个载波的“倒影”）；为0时，不改变相位。
4、二进制差分相移键控 2DPSK
二进制差分相移键控：基带信号 控制 相邻码元的 相对相位是否变化，1相对相位改变，0相对相位不变；基于前一位相应周期的载波相位，如果下一位为1，则改变相位，如果为0则不变。所以第一位相应周期的载波相位影响整个码型。
多进制数字调制
多进制数字调制则是需要区分更多幅值、频率或相位，因此每个码元需要传输更多的比特信息，接收信号需要更大的信噪比，在带宽一定的情况下，发送端需要增大发送信号的功率，也更容易受到咋生的干扰。
正交幅值调制 QAM
正交幅值调制 QAM 也称为幅值相位联合键控，是一种具有高频带利用率且可以自适应调整调制速率的技术，系统设备比较简单，已广泛应用于大容量数字微波通信系统、有线电视网高速数据传输和卫星通信系统中，同时也是甚高速数字用户环路(VSDL)、4G移动通信技术标准的推荐调制技术。
它将幅值、频率、相位看作“一维”调制，同时利用幅值和相位将其扩展为“二维”调制，利用二维平面，将信号矢量端点合理地分布在整个平面上，则有望在不减小矢量端点间最小距离的前提下增加信号矢量数目，提高频带利用率和数据传输速率；或者在相同的信号矢量端点数目的情况下，增加信号矢量端点间的最小距离，降低误码率，提高功率效率。
QAM调制技术具有频带利用率高、抗噪声能力强、调制解调系统简单等优点。
物理层接口规程
物理层接口概述
物理层接口的四大特性，分别为机械特性、电气特性、功能特性以及规程特性。
物理层接口协议主要是解决主机、工作站等数据终端设备(DTE) 与 通信线路上通信设备(DCE) 之间的接口问题。
数据终端设备 (Data Terminal Equipment,DTE)
数据电路端设备(Data Circuit-Terminating Equipment,DCE)
物理层接口特性
机械特性：也叫物理特性，指明通信实体间硬件连接接口的机械特点，如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、各种规格的电源插头。
电气特性：规定了在物理连接上，导线的电气连接及有关电路的特性；
功能特性：物理接口各条信号线的用途；
规程特性：即通信协议，指明利用接口传输比特流的全过程，以及各项用于传输的事件发生的合法顺序。