物理层

数据通信基础

通信系统模型

• 信源： 将各种信息转换成原始物理信号，如计算机，手机，电话机等。
• 变换器/反变换器： 对原始物理信号进行变换/反变换，以便适合在给定的信道上传输，如MODEM ， TA(终端适配器) ，光/电转换器等。
• 信道： 传输信号的一条通路。一条物理线路可构成一个或多个信道。
• 噪声源： 信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰。如热噪声，闪电，电磁场干扰等。
• 信宿： 将物理信号转换为信息，如计算机，手机，电话机等。

模拟通信与数字通信

• 模拟信号: 信号在传输过程中连续变化。
• 数字信号: 信号在传输过程中离散变化。
• 模拟通信： 通过模拟信号来传输数据。
• 数字通信： 通过数字信号来传输数据。

数字通信的优点：

• 抗干扰能力强。
• 适合远距离传输。
• 有利于安全性。
• 适合多媒体信息传输。

信号带宽

信号带宽: 信号能量所集中的频率范围（频谱） ， 记为H。
    例如,语音信号占用的频谱为300~3400Hz,那么带宽为:
       H = 3400-300=3100Hz
对数字信号,带宽 H 可近似表示为：H =1/τ；τ为脉冲宽度；数据率越高， 脉宽越窄， 数字信号的带宽越大。

信道

信道：

• 信道：传输信号的一条通路。
• 信道通常由物理传输介质和通信设备（如MODEM， 中继器等）组成。
• 一条物理线路可同时复用多个信道。

衡量信道质量的两个重要参数:

• 信道的带宽。
• 信道的误码率。

信道带宽:

• 信道带宽：信道允许传输信号的频率范围， 单位为Hz。如普通电话信道的带宽是4000Hz。
• 对数字通信， 通常用数据率来表示带宽。数据率： 信道每秒最多传输的二进制位数， 单位为bps。

波特率:

• 波特率又称码元速率， 是指每秒传输码元的数目， 单位为波特（Baud） 。
• 若码元的离散取值数目为L， 波特率为B， 数据率为C， 则：C = B log2 L

误码率:
误码率：数字信号比特（二进制位） 在传输过程中出错的概率。
P = Ne/N
其中， P为误码率； Ne为出错的比特数； N为传输的总比特数。

信道的通信方向:

• 单工信道
  只允许数据信号在信道上的单向传输。 如：无线电广播， 电视。
• 半双工信道
  数据信号可以在信道上双向传输， 但同一时刻只允许单向传输。如：无线对讲机。
• 全双工信道
  允许数据同时双向传输。 如：计算机通信。

物理传输媒体（通信介质）

双绞线:

• 非屏蔽双绞线（UTP）
  
• 屏蔽双绞线（STP）
  

同轴电缆

光纤

无线传输媒体

无线传输以自由空间作为传输媒体,主要包括无线电波、微波、卫星通信、激光、 红外线

无线电波的传播特性

• 低中频
  能够绕过障碍物（绕射） ；
  能量随距离增加而急剧减少， 传输距离有限。
• 高频和甚高频
  能量会被地表吸收；
  但能通过电离层反射。
• 超高频和特超高频（微波）
  只能直线传播；
  既不能绕射也不能反射。

微波

• 微波频率大致为1GHz — 100GHz
• 用于无线局域网的微波频率范围为：
  2.4GHz — 2.484GHz
  5.725GHz — 5.825 GHz
  18.825GHz — 19.205GHz
• 微波通信必须要有微波中继站： 100m高， 相距小于80km

卫星通信

• 卫星通信是一种特殊的微波通信， 同步通信卫星作为微波中继站
• 与地面中继站相比， 卫星的通信距离远， 从理论上讲， 三个同步卫星就能覆盖整个地球表面。
• 卫星通信的特点
  （1） 传输延迟长达270ms。
  （2） 通信费用与距离无关。
  （3） 抗干扰能力差， 甚至雨水也能吸收微波能量 。

数字信号的编码

数字信号的编码：用何种物理信号来表示“0” 和“1” 。

非归零编码：

• 优点： 编/译码简单。
• 缺点： 内部不含时钟信号， 收/发端同步困难。
• 用途： 计算机内部， 或低速数据通信。

曼彻斯特编码：

• 优点：
  内部自含时钟， 收/发端同步容易。
  抗干扰能力强。
• 缺点：
  编/译码较复杂。
  占用更多的信道带宽， 在同样的波特率的情况下， 要比非归零编码多占用一倍信道带宽。
• 用途： 802.3局域网（以太网）

差分曼彻斯特编码：

• 优点：
  内部自含时钟， 收/发端同步容易。
  比曼彻斯特编码的抗干扰能力更强。
• 缺点：
  编/译码更复杂。
  同样需要多占用一倍信道带宽。
• 用途： 802.5局域网（令牌环网）

数字调制技术

数字信号的模拟传输：

• 基带信号： 由信源产生的原始电信号。
• 载波： 频率较高的正弦波信号。
• 调制： 将基带信号加载到载波上， 即按基带信号的变化规律去改变载波的某些参数（振幅、 频率、 相位） 。
• 解调： 从载波中提取基带信号。

调制技术

• 调幅：用载波信号不同振幅表示数据,， 又称幅移键控法ASK。
  易受突发干扰， 适合低速数据传输， 典型为1200bps。
• 调频: 用载波信号不同频率表示数据， 又称频移键控法FSK 。
  抗干扰优于调幅方式， 但频带利用率不高。
• 调相：用载波信号不同相位表示数据， 又称相移键控法PSK。
  抗干扰能力强，数据率较高，可达9600bps。
  实际调制/解调器通常将调相技术和调幅技术相结合

模拟信号的脉码调制

模拟信号的数字传输：模拟信号转化为数字信号，然后通过数字信道传输。

脉码调制：
脉码调制（PCM）是最常用的数/模转化技术。
脉码调制步骤： 采样、量化、编码。

• 采样：按照一定的时间间隔测量模拟信号幅值 。
• 量化：将采样点测得的信号幅值分级取整
• 编码：将量化后的整数值用n位二进制数表示

数据同步方式

同步：接收端按照发送端发送代码的频率和起止时间来接收数据。
数据同步方式主要有两种：字符同步和位同步。

• 字符同步方式（异步通信） ：仅针对一个字符内所含的二进制位进行同步。
  
  优点： 时钟漂移被限制在一个字符内， 不会产生太大的积累误差。 因此对同步精度要求不高， 同步容易。
  缺点： 每个字符均有起始/停止位， 因而传输效率较低。
  适用： 低速通信。
• 位同步（同步通信） ：针对一个数据块内所含的二进制位进行同步。
  同步位模式： 通常为“01111110”， 标志一个数据块的开始和结束。
  优点： 每个数据块仅需要2个同步位模式的额外开销， 因而传输效率高。
  缺点： 由于一个数据块所含位数较多， 易产生时钟漂移积累误差而导致数据出错， 因此对同步精度求高， 同步困难
  适用： 高速通信。
  实现位同步的两种方法：
  外同步： 为发送端和接收端提供专门的同步时钟信号。
  内同步： 不单独发同步时钟信号， 而是将同步信号嵌入数据编码内部， 如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。

多路复用技术

多路复用： 将多个信道复用在一条物理线路上， 使一条物理线路能够同时传输多路数据信号。
多路复用技术分类： 频分多路复用（FDM）、 时分多路复用（TDM）、统计时分多路复用（统计TDM）

• 频分多路复用：将一条物理线路的总带宽分割成若干个较小带宽的子信道，每个子信道传输一路信号。
  子信道分割技术： 将不同信号加载到不同载波上， 实现信号频移。
  频分多路复用的典型应用： 电话中继线。
• 时分多路复用: 将一条高速物理线路的传输时间划分成若干相等的时间片， 轮流的为多路信号使用 。
  缺点： 没有数据传输的低速线路仍分配时间片， 可能出现空闲的时间片， 浪费信道带宽。
  时分多路复用的典型应用： T1信道。
• 统计时分多路复用: 采用动态分配时间策略， 即有数据要传输的线路才分配时间片
  优点： 不会出现空闲的时间片， 信道利用率高。