物理层 | Zhuxz's Blog

物理层基本概念

物理层功能

位置：物理层是网络体系结构中的最低层
- 不是连接计算机的具体物理设备，也不是负责信号传输的具体物理媒体
功能：如何在连接各计算机的传输媒体上传输数据比特流
1. 数据链路层将数据比特流传送给物理层
2. 物理层将比特流按照传输媒体的需要进行编码
3. 然后将信号通过传输媒体传输到下一个节点的物理层
作用：尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，为数据链路层提供一个统一的数据传输服务

物理层接口特性

物理层协议是DTE和DCE间的约定，规定了两者之间的接口特性

数据终端设备(DTE)
- 一种具有一定的数据处理和转发能力的设备，可以是数据的源点或终点
数据电路端设备(DCE)
- 在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码的功能，负责建立、保持和释放数据链路

标准化的DTE/DCE接口具有
- 机械特性、电气特性、功能特性、过程特性

物理层机械特性

涉及接口的物理结构，通常采用接线器来实现机械上的连接，定义接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。

物理层电气特性

规定了发送器和接收器的电路特性、负载要求、传输速率和连接距离等，如发送信号电平、发送器和接收器的输出阻抗、平衡特性等

举例： ITU-T V/X系列有关建议的某些电气特性

物理层功能特性

描述接口执行的功能，定义接线器的每一引脚(针，Pin)的作用

举例：10BASE-T RJ-45 接口功能特性

物理层过程特性

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信基础

基本概念与术语

通信、消息、信息、信号与数据

通信(communication)：在两台计算机之间传递消息
消息(message)：可以是图像、文字、语音等可以被通信双方理解并且可以被相互传递的东西。
数据(data)：消息的载体
信息(information)：消息中的有效部分
信号(signal)：通信过程中的数据的载体

数据的信号表示

数据

数字(digital)：如文字
模拟(analog)：如语音

信号同样有数字信号和模拟信号。

数据可以编码(encode)成信号：

数字数据 $\rightarrow$ 数字信号：直接使用高低电位，得到基带信号
数字数据 $\rightarrow$ 模拟信号：可以调幅(ASK)、调频(FSK)、调相(PSK)。
模拟数据 $\rightarrow$ 模拟信号：同样可以调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)
模拟数据 $\rightarrow$ 数字信号：采样，如语音信号的PCM调制
- 在时间上采样(采样率)，比如声音有 $44.1Hz, 48Hz, 96Hz, 192Hz$
- 在值域上近似(采样深度)，比如 $16bits, 32bits$ ，表示用多少个比特来记录一个数值

传输方式

数字通信和模拟通信

以模拟信号来传送消息的通信方式称为模拟通信，而传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统
以数字信号来传送消息的通信方式称为数字通信，而传输数字信号的通信方式称为数字通信系统

基带传输和频带传输

基带传输：指不搬移信号频谱的传输体制
频带传输：指利用调制解调器搬移信号频谱的传输体制
- 就是让基带信号和载波进行调制

频带传输是为了让不同协议的信号之间尽量不相互干扰，同时也可以调整带宽来控制某种协议的传输速度。

传输模式(单工、半双工、双工)

单工：指两个站之间只能沿一个指定的方向传送数据信号
半双工：指两个站之间可以在两个方向上传送数据信号，但不能同时进行，又称“双向交替”模式，发/收之间的转向时间为 $20～50ms$
全双工：指两个站之间可以在两个方向上同时传送数据信号

同步方式(同步/异步)

异步传输的协议设计比较复杂，接收方需要识别信号什么时候开始，什么时候结束
同步传输协议更加简单，但是精确地实现同步比较困难

数据传输类型(串行、并行)

传输损伤

误码(Error)。指信号在传输过程中码元发生的差错，即接收与发送数字信号的单个数字之间的差异
抖动(Jitter)。指码元出现的时刻随时间频繁地变化，也就是各有效瞬间相对于理想时间位置的短时间偏移
漂移(Wander)。指码元各有效瞬间相对于理想时间位置的长期缓慢偏移
滑动(Slip)。指一个信号序列在传输过程中，不可恢复地丢失或增加若干码元
时延(Delay)。指信号的各有效瞬间相对于理想时间位置的滞后或推迟

干扰：

环境干扰指大气干扰(如雷电、电离层闪烁等)、城区人为干扰(如工业干扰、汽车干扰等，wifi信号收到微波炉影响)和非恶意的邻道干扰等(比如在考场周围的电磁干扰)；
人为恶意干扰：指带有恶意或敌意的人为干扰。

性能度量

传输速率

这里是对于数字信号而言

调制速率(波特率、码元速率)：指单位时间内调制信号波形的变换次数，其单位是波特。 $R_{B}=1 /T$
数据信号速率(比特率)：指单位时间内通过信道的信息量，其单位是比特/秒。 $R_{b}=\frac{1}{T} \log_2 M$

波特和比特的不同之处在于，有时候一个码元可能有不止两种的状态，而是 $M$ 种(比如说有 $M$ 个电位)，那么一个码元所含有的信息就相当于 $\log_2M$ 个比特。

常见不同进制调制方式举例

这里是对模拟信号而言(模拟信号传递数字数据)

通常由于频率是模拟信号的稀缺的资源(大的带宽能带来更大的传输速率)，因此调制的时候我们通常使用调幅和调相。而对于幅值和相位，我们可以用极坐标系中的一个点来代表。

假如1个码元对应1个比特，那么极坐标系下只需要2个点，这就是 BPSK。QPSK中1个码元对应2个比特，QAM中对应4个。

带宽

在通信领域(模拟传输)，带宽指某个信号具有的频带宽度。单位是赫(或千赫、兆赫、吉赫、太赫等)。如话音信号的带宽是 $3.1kHz(300Hz～ 3400Hz)$ 。
在计算机领域(数字传输)，带宽指计算机网络的通信线路所能传送数据的能力，即在单位时间内从网络中某一点到另一点所能达到的“最高数据速率”。单位是 $b/s (bit/s)$

信道容量

模拟信道容量
香农定律指出：

$C=B \log_2(1+\frac{S}{N})$

其中 $C$ 是信道容量，$B$ 是信道带宽，$S /N$ 是平均信号信噪比，$S$ 是接收信号功率，$N$ 为噪声功率。

数字信道容量
对于一条有限带宽，无噪声的理想信道上，采样定理指出：

$C=2B \log_2M$

$M$ 是一个码元对应的比特数。

传输质量

信噪比SNR：指信号通路某一点上的信号功率Ps与混在信号中的噪声功率PN之比值（常用对数表示）。
$SNR=10 \lg P_{S}/P_{N}$
平均误码率：指单位时间内接收到的出错码元数占总码元数的比例
$P_e=\frac{n_e}{n}$

复用技术

复用 (multiplexing)技术的目的是：允许用户使用一个共享信道进行通信，避免相互干扰，降低成本，提高利用率。

时分复用(TDM)

存在的不足：使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。因此可以引入统计时分复用

统计时分复用(STDM)

统计时分复用（statistical time division multiplexing，STDM）是指动态地按需分配共用信道的时隙，即在每一次周期开始之前，先查询有哪些用户需要传输数据。

频分复用(FDM)

频分复用将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

频分复用的信道利用率同样不高，不过相对时分复用而言，频分复用不需要做同步，更加方便

波分复用(WDM)

和频分复用基本一样，只是波分复用用于光纤

码分复用(CDMA)

是指利用码序列相关性实现的多址通信，基本思想是靠不同的地址码来区分的地址。3G技术使用的主要就是这个复用技术。

不同使用者使用不同的地址码，而一组地址码可以理解为一组正交的向量基。比如有一组正交基 $(1, 0, 0), (0, 1, 0), (0, 0, 1)$ ，然后有3个用户A，B，C输入 $a, b, c$ ，那么在信道上传输的数据就为 $(1, 0, 0)\times a+ (0, 1, 0)\times b+ (0, 0, 1)\times c=(a,b,c)$ ，然后接收到数据之后再乘一个用户A对应的向量基 $(1, 0, 0)$ ，就能得到信息 $a$ 。