网络课笔记整理——物理层

一、什么是物理层

二、数据传输理论

三、传输介质

四、数字调制技术

五、信道复用

一、什么是物理层

1、物理层：定义了建立、维护和拆除物理链路所需要的机械、电气和规程等特性，其作用是使比特流能够在物理介质上传输。

2、物理层是网络的分层结构中的最低层，根据网络的分层的特点，下层应当为上层提供服务，相应的物理层也提供了相应的服务，物理层提供的服务有：
a、提供传送和接受比特流的能力，物理连接的建立、维持和释放。
b、在链各个相邻系统之间唯一标识数据电路。
物理层的作用的特性四除了要使比特流能够在物理介质上传输，并且要有维持的能力

二、数据传输理论：信道传输的限制

1、通信系统模型：
输入数据——源点——发送器———传输——接收器——终点 OR
基带信号——调制解调器——传输系统——调制解调器——信号
2、基本的概念：
数据：携带信息（即比特）的实体
信号：是消息的物理体现，随着时间改变
3、通信系统的主要参数

• 信号功率S：一般功率越大可以传输的距离就越长
• 信号带宽B：与手法设备与传输介质的特性有关
• 噪声功率N：通信线路上的平均噪声功率
• SNR：S/N为信噪比，单位为分贝dB,SNR(dB)=10log10(S/N)，因为S和N都是功率，所以两者单位相同，那么相除之后就变成了没有单位的量，所以我们在需要将某个量转化为SNR（dB）表示的时候要注意其应该是没有单位的
• 数据率：数据传输的速率，单位为bps
• 误码率：数据传输错误的概率，衡量数据传输的质量
  
  
  
  
  4、在信号的分析的时候会使用到傅里叶分析将信号进行分解，这是因为传输介质有频率选择性，也就是说具体的信道能够通过的频率范围是有限的。并且传输带宽会影响数据率，而传输带宽与传输介质本身有关
  5、带宽：注意区分信号带宽和信道（传输）带宽
  
  a、什么是信号带宽：
• 带宽在数字信号系统中用来标识信道的数据传输速率，具体表示的是在单位时间内信道某一点上最高数据率，单位是bps，其与时间和空间都有关系
• 在模拟信号系统中，带宽用来表示传输的信号所占的频率宽度，（而某传输介质本身可以允许通过的带宽是由其自身特性决定的）这个宽度是由传输信号的最高的频率减去最低的频率，单位是Hz
  综上可以看出，虽然碎玉不同形式的信号，带宽的表示不同，但是其总体来说其目的就是衡量传输介质对于信号的一种限制作用，并不是任意形式的信号都可以通过任何传输介质进行传输，信号带宽是受限的，看下面喽…………………………
  
  
  b、信号带宽受限：信号经过传输将损失能量，如果所有成分衰减量相同，那么信号就不会失真，但是各种通信介质对不同频率信号的衰减是不同的，所以这就可能要求我们对信号进行一定的载波即调制来使得信号可以在相应的传输介质中传输而不失真。
  
  c、什么是传输带宽：是传输中幅度衰减不明显的频率范围（因为在同一种介质中，不同的频率的衰减程度是不同的）定义为接受功率由最大变为1/2（3dB,10log10(2)）的频率范围。

总之我们的目标就是让信号带宽和传输带宽相适应。

d、信道的最大数据率：

• 奎杰斯特定理：在理想无噪音的条件下，如果一个任意信号通过了一个带宽为B(Hz)的低通滤波器，那么只要进行每秒2B次采样，就可以完全重构出被过滤的信号。由于通过样值恢复出来的高频成分已经被过滤了，所以每秒高于2B的采样毫无意义。如果信号包含了V个离散的等级（那么这V个等级，也就是不同的状态需要logVbit)，那么奎杰斯特定理为： 最大数据率=2BlogV(bps)
• 香农容量公式：信道的极限信息传输速率或无误码容量C遵从公式(B为带宽，单位为Hz)：C=Blog(1+S/N)(如果遇到的是dB,那么注意转化）

有个问题PPT上为什么要写增加信号带宽

三、传输介质：常用传输介质的特性

1、从传输介质角度看传输介质： 传输设备特性——传输介质及其特性——传输设备特性
2、物理层下面的传输媒体：传输媒体分为导向传输媒体和非导向传输媒体。在导向传输媒体中，电磁波被导向沿着固定媒体传播，而非导向媒体是指自由空间，在非导向传输媒体中电磁波的传输通常被称为无限传输。
数据传输的特点：无论是哪种类别的线，衰减都会随着频率的升高而增大

导向传输介质分类

通信设备	结构	特点	分类	性能
双绞线	把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照规则的方法绞合起来就构成了双绞线	数字信号和模拟信号都可以用双绞线进行传输，一般为几公里到十几公里，如果传输的距离太长，那么对于模拟信号而言就要加上放大器以便将衰减的信号增加到适当的值，如果是数字信号就要加上中继器以便将变形的信号进行整形	屏蔽双绞线(STP)和非屏蔽双绞线(UTP)	无论是什么线，随着频率的升高其衰减就会增大，使用更粗的线可以降低衰减，但是重量和成本较高，但是由于双绞线价格便宜性能也不错，所以使用十分广泛
同轴电缆	从内向外依次是：导体铜制芯线，绝缘层，网状编织的外导体屏蔽层，保护塑料外层	同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛应用于传输较高速率的数据		同轴电缆的带宽取决于电缆的质量，在局域网初期层广泛使用同轴电缆，但是随着技术的进步，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体,现在同轴电缆主要用在有线网中
光纤	有纤芯和包层构成双层通信圆柱体，光纤的主要工作是通过在源点利用发光二极管或半导体激光器将电脉冲转化为光脉冲，在接受段利用发光二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可以还原出电脉冲，有光脉冲相当于1，没有光脉冲相当于0	由于可见光的频率非常高，所以一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽	- 多模光纤：根据入射角的不同，在一条光纤内可以存在许多条光纤，但是光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，所以多模光纤只适合短距离传输 - 单模光纤：若光纤的直径减少到只有一个光的波长，那么光纤就像一根波导一样，可以使光纤一直向前传播，而不会产生多次反射，但是制造成本较高	光纤的优点： 传输距离长 抗干扰能力强 保密性好 质量轻 带宽高 光纤的缺点: 两根光纤精确连接需要专用的设备，但是目前光纤接口的价格还较高

非导向传输介质：当通信距离很远时，铺设电缆及昂贵又费时，但利用无线电波在自由空间的传播就可以较快实现多种的通信

非导向传输介质分类

短波通信（高频通信）	主要靠电离层的反射，但是由于电离层不稳定导致短波信道的通信质量较差，当必须使用短波传输的时候一般都是低速传输，只有采取复杂的调制解调技术才能达到较高的传输速率
无线电微波通信（特高频）	无线电微波通信在空间中是直线传播的，其可以穿透电离层而进入宇宙空间，因此其不会像短波一样经过电离层反射，无线微波通信分为地面微博接力通信和卫星通信

地面微波接力:advantage：

• 微波波段频率很高，其频率范围也很宽，因此其通信信道的容量很大
• 受干扰较少，因此通信的质量较好
• 设备投资较少，见效快，易于跨越山区、江河
• 
  diadvantage：
• 相邻的站必须直视
• 容易受恶劣天气的影响
• 保密性差
• 对于大量中继站的使用和维护要耗费较多的人力和物力

卫星通信：远距离通信，与地面微波接力一样卫星通信的频带很宽，通信通量很大，信号所受到的干扰也很小，通信比较稳定，但是有较大的传播时延，由于地球站的天线仰角不同，因此不管两个地球站之间的地面距离是多少，从一个地球站经过卫星到另一个地球站之间的传播时延一般为250——300ms之间。
3、无线传输中的天线:
天线的作用：实现电磁能量的辐射以及接受，分为全向天线或定向天线。
全向天线传输的损耗分析：距离发射端d处的接收功率流密度为Pt/(4πd²)，若接受的有效的面积为a（λ²/4π），那么接受的功率就为密度乘上有效面积，路径损耗为：Pt/Pr=(4πd)²/λ²,该值越小说明传输损耗就越少。

四、数字调制技术：比特与信号间的转换技术及常见通信系统

由于传输设备及传输介质对信号的频率等有要求，所以要根据传输设备的特性调制信号
根据信号调制方法的不同，信号的传输可以分给基带传输和通带传输：
1、基带传输：将数据变换为数字信号，常用的编码有： 非归零码（NRZ）、非归零反转码（NRZI）、曼彻斯特编码、拆分曼彻斯特编码、4B5B编码。

2、基本概念及数据量之间的关系：
基本概念：首先区分这几个概念：
带宽：单位是Hz，其定义可以看第一份整理。
数据率（数据带宽）：单位是bps，其表示的是传输介质单位时间传输的比特数
符号率：信号改变的速率成为符号率，单位是波特，不同的调制解调技术会有不同的符号率。
带宽效率：与一个符号承载的比特数有关，符号电平数多，也就是离散的等级数越多，那么承载的比特也越多，例如8电平的符号可以表示3比特。

三者之间的关系：
带宽与数据率之间的关系通过奎杰斯特定理确定，而比特率与符号率之间的关系是：比特率等于符号率乘上每个符号的比特数,那么转化为公式就是比特率=符号率*log(N),其中N表示的是信号有几个离散的等级，也就是有几种不同的状态，N个状态，那么一个状态就可以表示log(N)比特的数据，毕竟是二进制。

那么根据奎杰斯特定理和数据率与符号率之间的关系可以得出，如果带宽是B的话，那么符号率就是2B，因为最终的数据率的大小应该是相同的。

符号率（波特）、带宽（Hz）与数据率（bps）之间的关系

物理量	定义	单位	别称	计算方法
带宽	传输中幅度衰减不明显的频率范围；定义为接收功率由最大降为1/2的频率范围	Hz	传输带宽	传输带宽与传输设备、传输介质本身的性质有关
数据率	单位传输的比特数	bps	数据带宽、码率、比特率	理想无噪音的条件下：根据奎杰斯特定理 在有噪音的情况下：使用香农容量定理
符号率	描述数据信号对模拟载波调制过程中，载波每秒中变化的数值	波特	调制速率、波特率	比特率=波特率*每个符号的比特数，也就是说如果信号有N个离散的等级，那么比特率和符号率之间的关系为：比特率=波特率*㏒₂N

综上所述，在理想无噪音的条件下，根据奎杰斯特定理以及比特率和符号率之间的关系，利用数据率这个桥梁，带宽与符号率之间的关系为：带宽如果为B的话，符号率为2B。并且可以看出，如果要提高传输速率，则要想方法提高传输带宽和每个符合承载的比特数。

3、不同的编码方法:（以下计算中假设带宽为B，那么符号率为2B）

编码方法	内容	数据率	时钟恢复	信号平衡（基线漂移）	特点
NRZ（非归零编码）	0代表信号的高电平，1代表信号的低电平	2B	可能长时间导致发送连1或者连0致使信号无跳变，导致收发之间难以同步	用接受信号的均值来确定信号电平的高地，连1或连0会改变信号的均值	无法恢复时钟并且存在基带漂移问题
曼彻斯特编码	发送0的时候，电平由高到低跳变；发送1时候，电平由低到高跳变	B	咋每比特时间内肯定有一次电平的跳变，接受方通过检测该跳变来保持与发送方的位同步	无基线漂移问题	解决了时钟恢复问题，但是数据率只是符号率的1/2
NRZI(非归零反转码)	用信号的跳变来表示1，无跳变表示0	2B	解决了连1的问题但是存在连0的问题	用跳变表示数据，应该不存在基线漂移的问题	存在连续0的情况
差分曼彻斯特编码	首先在每个比特时间内时钟都跳变一次用来时钟恢复，其次在每个信号开始的地方，没有跳变表示1，有跳变表示0	B	可以时钟恢复		技术复杂，并且数据率只有符号率的1/2
4B/5B编码	将4比特的数据映射为5比特来表示，如何映射则按照一张固定的转换表表示，那么16个输入组合和32个输出组合，有些组合就没有使用，一般抛开那些有很多连续0的组合	效率只有80%，所以为1.6B	可以		4B/5B的思想是在连0和连1的中间插入1或0，力求解决连续高电平和低电平的问题，并且解曼彻斯特低效率的问题,是一种比较折中的方法

4、通带传输:

基本的概念：由于基带信号在信道上长距离传输会受到衰减、畸变及噪音的影响，低频信号不适合远距离传输；并且各传输介质有其适于的信号频率范围，需要将数字信号转换成一种适合在信道上传输的信号，成这个过程为调制，从信号中提取数字信号称为解调.
调制解调器就是调制器和解调器的组合，因为有时候源端也有可能成为收端

数字调制技术:

• Asin(2nft+Φ)，使其幅度A、频率f、相位Φ随着基带信号改变而改变称为对载波进行调制
• 基本的调制方法：

• 调幅：载波的振幅随着基带数字信号而改变
• 调频：载波的频率随着基带数字信号而改变
• 调相：载波的相位随着基带数字信号而改变

综合方法： 通常会将这些调制模式结合使用，以便每个符号传输更多的比特，因为频率和相位有关，也就是频率是相位随时间的变化率，所以一般将振幅和相位结合起来一起调。
具体的的方法有（使用星型图来表示有几种信号状态）:

• QPSK（正交相移键控）
• QAM（正交振幅调制）

五、信道复用：在一条传输介质上提供多个数据传输信道的方法

1、各种复用技术

复用技术的分类

复用技术	具体的内容	开销或者优点	解复用的要求	应用
频分复用（FDM）	当信道带宽是基带信号带宽的N倍的时候，将信道带宽划分成N个子信道，在每个子信道上传输一路信号。对每个基带信号进行相应的载波调制将 各路信号搬到各个子信道上	子信道之间要有保护间隔	抑制带外信号，需要设置保护频段	广播系统，电话系统，电视系统,2G蜂窝系统
正交频分复用（OFDM）	其实是一种调制技术，给每个基带信号不同的载波使得各子载波正交，在某一个子载波的中心取样，则其他子载波的干扰为0	子载波之间没有保护间隔，更有效地利用带宽	要求子载波间严格正交，接收的频率严格对准	高清晰度电视，无线局域网
时分复用(TDM)	所有的用户占相同的频带的不同的时隙，用户按照轮访问信道，在每一轮中，每个站得到固定的时隙	用户之间需要同步，需要再时隙之间设置间隔来应对用户同步的偏差以及远近效用	各信号严格同步，需要保护时间间隔	用于GSM蜂窝系统
码分复用（CDM）	从码集中选取唯一的码序列，这个码序列的特点是与自己相乘时为1，与码集中所有其他的码序列相乘为0；所有的拥护共享相同的频率，但是 使用自己的码序列对数据进行编码或者调制，编码信号=（原始数据）*（码序列）(码序列一般为1和-1的串，也就是高电平为1，低电平为-1)	解调难，并且需要进行功率控制，保证基本都是相同的，因为其他的信号对自己而言是噪音；允许多个用户共存同时传输，具有最小的干扰； 并且必须知道相应信号的码序列才能解调，所有具有保密性；那么怎样才能辨识码片的开端呢：所以涉及同步的问题	解调：编码信号*码序列/M(M为码序列有几位），在码分复用中用如果原数据是1，那么编码信号=码序列，如果原数据是-1，那么编码信号=码序列的反码，所以解调的时候 如果码序列与编码信号相同那么原来的数据就是1，否则就是-1；如果有多个发端，那么码序列就是各个信号的码序列的和，解码的时候直接乘上相应的码序列即可， 肯定是有多个同时发的么，不然就不是复用的技术了	无线广播信道

2、单工与双工:

• 单工：信道只能在一个方向上传输数据
• 双工：信道可以同时在两个方向上传输数据，分为TDD(时分双工)、FDD(频分双工)、CDD(码分双工)；TDD和FDD需要设置相应的间隔，消耗了资源，码分双工可以 充分利用资源但是现实中很难实现。

3、电话系统：
a、公共交换电话网（PSTN）：
电话——（本地环路）——端局——（长途连接中继器）——长途局——（超高带宽局间中继器）——中间交换局——（超高带宽局间中继器）——长途局——（长途连接中继器） ——端局——（本地环路）——电话

• 本地环路：模拟双绞线，连接住宅、公司
• 干线：在交换局之间的数字光纤链路
• 交换局：在干线之间转接呼叫

b、电话调制解调器: 调制解调器和编码器完成计算机和传输设备之间数字信号和模拟信号之间的转换。
c、中继器：中继器传输数字信号，将衰减的数字信号放大，灰机成百上千、数百万的数字信号。

d、模拟信号如何转化为数字信号-PCM(脉冲编码） 步骤有：

• 采样：按照一定的时间间隔对模拟信号进行采样测量，根据奎杰斯特定理，如果模拟信号的带宽为WHz，那么只要按照2WHz的频率对模拟信号进行采样， 则数字信号足以驳货原模拟信号的信息。
• 量化：将模拟信号的可能最大的幅值分为若干级，然后将得到的测量值按照分级舍入取一个整数
• 编码：将得到的整数值用二进制数进行编码

PCM编码的采样标准：PCM(脉冲编码)首先要对电话信号进行采样，并且为了有效利用传输线路，通常将许多个话路的PCM信号用TDM 的方式装成帧，然后再送往线路上一帧一帧连续传输。采样的标准有E1和T1标准，我国采用的是E1标准。

T1与E1标准（通常的电话信号的最高频率为3.4KHz）

标准	采样的频率	脉冲信号编码需要几比特	每个TDM帧分成几个时隙	帧同步码	数据率	有效数据率(看来并不是数据率越高有效数据就越多，其中还有同步信息的比特)
T1	8KHz	8bit，其中7bit是有用的数据，1bit是信令码元	24个时隙,也就是24个话路	在每个TDM帧之后会加上1bit的帧同步码	((7+1)*24+1)*8K	有效承载数据的比特率为:7*24*8K
E1标准	8KHz	8bit,8bit都是有用的数字信息	32个时隙，其中有30个话路是用于通信的	32个时隙中，有2个时隙是用来传输帧同步码和信令的	32*8*8K	30*8*8K

以上的数字传输标准的缺点：
a、速率标准不同意，世界上有很多的标准
b、不是同步的传输，随着数据速率的不断提高，收发双方的时钟同步成为了主要的问题
为了解决上述数字传输标准存在的问题，制定了新得数据传输标准：SONET/SDH和PHD
PDH:准数字同步系列：各路信号的频率有一定的偏差，在复接的时候需要插入一定的脉冲信号来实现同步
SDH（同步数字系列）SONET（同步光网络）两个是同一个标准的不同名称，其具体的形式为：
a、首先是SDH帧月SONET帧之间的关系：

• SONET基本信道是采样的频率是8K，每次采样是810个字节（9行*90列），也就是数据率为8*810*8K，这个传输大小成为一个同步传输信号，STS-1
• n个STS-1复接数据率为n*STS-1的数据率，称这个复接为STS-N,也称为OC-N,也就是n路复接
• SDH的基本帧从OC-3开始，成为一个同步传输模块（STM-1)
• STS-1中并不是所有的字节都是有用的数据，其中前3列是段开销和线路开销，有1段是路径开销，所以用户数据是86列*9

4、移动通信系统的信道复用：
a、GSM的分类：1G：模拟信号 2G：数字信号（FDM) 3G:数字信号+数据(CDM) 4G：更高速率的数据
b、GSM的信道复用：每个蜂窝的频率是相同的，并且相邻的蜂窝的频率是不能相同的，那么消去划分得更小，小区的频率在更远的位置重用 ，用户密度增大
c、GSM标准：总体上采用的是FDM的双全工信道，并且基站到手机的频率比手机到基站的频率要高45MHz，在细分每个信道采用TDM ，分成8个时隙，根据TDM的标准，每个时隙之间有一定的间隔。为什么基站到手机的频率要比手机到基站的频率高：首先频率高衰减得越快 ，那么就需要大功率，但是手机很难达到很大的功率；其次是天线问题，希望手机天线越短越好。

5、5G移动通信网络:

• 高频率，波长更短，波长短了，天线就短，那么一个设备就能有多根天线，就可以同时发出和接收多组信号，这个技术叫做大规模多进多出技术
• 高带宽
• 使用正交频分复用
• 微基站，站点密

练习题：

1、名词解释：
PCM:脉冲编码，是一种将模拟信号转化为数字信号的技术；即具体的步骤有采样、量化、编码；采样：根据奎杰斯特定理，如果带宽为B，那么采样的频率为2B就可以 还原出数字信号，具体的标注有T1,E1,SONET/SDH,PDH；量化：将可能的最大模拟信号幅度分级，并将采样值舍入分级得到整数；编码：将相应的整数用二进制编码。
TDM:是一种信道复用的技术，即时分复用，所有的用户占相同频带的不同时隙，用户按照轮来使用信道，每一轮每个用户使用一个时隙，时隙之间需要间隔来应对用户的同步差异，并且要 求时隙严格对齐。
FDM：是信道复用的一种技术，即频分复用，将信道带宽均分为N份，每一份为一个子信道，子信道上各有相应的信号传输，各路的基带信号进行调制不同的载波，将 各基带信号搬到相应的子信道，子信道之间需要保护间隔，并且需要个子信道上的信号功率大致相同。
MODEM:调制解调器：由于传输设备以及传输介质或者信道复用问题，有时信号自身的频率并不能直接在传输介质，传输设备商传输，需要对信号进行调制，也就是对基带 信号加上各种载波，是的调制后的信号满足频率要求，而从调制后的信息中还原原来的信号称为解调；而调制解调器就是调制器和解调器的总称。
调制：将数字信号转化为适合在信道上传输的信号。
解调：即从信号中提取出原来的信号。
2、其余的计算题见PPT上