物理层

全网最全的物理层系统概述，知识内容有物理层基本概念、基础知识、信道、物理层下面的传输媒体、信道复用技术等。

物理层

• 基本概念
  • 考虑的是传输数据比特流，而不是具体的传输媒体
  • 作用：屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
  • 主要任务
    • 机械特性：指明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
    • 电气特性：指明在接口电缆的各条线的电压范围
    • 功能特性：指明某条线上出现某一电平的含义
    • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
• 基础知识
  • 消息：如话音、文字、图像、视频
  • 数据：运送消息的实体
  • 信号：数据的电气或电磁的表现
    • 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
    • 数字信号：代表参数的取值是离散的
  • 码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
• 信道
  • 单向通信（单工通信）
  • 双向交替通信（半双工通信）
  • 双向同时通信（全双工通信）
  • 基带信号：从源点发出的信号，往往包含较多的低频成分和直流成分，必须进行调制
  • 调制
    • 基带调制
      • 仅对基带的波形进行变换，把数字信号转换成另一种形式的数字信号，这个过程又叫编码
    • 带通调制
      • 使用载波进行调制，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
  • 基带调制
    • 数字信号常用编码方式
      • 不归零制：正电平为1，负电平为0
      • 归零制：正脉冲为1，负脉冲为0
      • 曼彻斯特编码：位周期中心向上跳变为0，向下跳变为1
      • 差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变为0，没有跳变为1
      • 信号频率：曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高
      • 自同步能力：不零制不能从信号波形本身中提取时钟频率，即没有自同步能力，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力
  • 带通调制
    • 调幅AM：载波的振幅随基带数字信号变化
    • 调频FM：载波的频率随基带数字信号变化
    • 调相PM：载波的初始相位随基带数字信号变化
  • 数字信号在传播过程中有可能失真
    • 码元的传输速率越高，信号传输的距离越远，噪声干扰越大，传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重
  • 奈氏准则
    • 在带宽为W的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率时2W，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，可以通过编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量，但这样在实际有噪声干扰的信道中，大大增加了解码的难度
  • 信噪比
    • 信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，以分贝为单位，信噪比（dB）=10㏑（S/N）（dB）
  • 香农公式
    • 在带宽受限且有噪声干扰的信道中，信道的极限信息传输速率C=W*log₂（1+S/N）（bit/s）
• 物理层下面的传输媒体
  • 导引型传输媒体
    • 电磁波被引导在固体媒体传播
    • 同轴电缆
      • 由内导体铜制芯线、绝缘层、网状屏蔽层以及绝缘保护套层所组成
    • 双绞线
      • 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰，绞合度越高，抗干扰能力越强
      • 无屏蔽双绞线UTP
      • 屏蔽双绞线STP
    • 光纤
      • 在发送端要有光源，接收端要有光检测器，有光脉冲相当于1，没有相当于0
  • 非导引型传输媒体
    • 在自由空间中的传播
    • 无线传输所使用的电磁波频段很广，短波通信主要是靠电离层反射
    • 微波通信
      • 地面微波接力通信
      • 卫星通信
• 信道复用技术
  • 复用：指多个用户使用一个共享信道进行通信
  • 频分复用FDM：将整个带宽分为多份，用户自始至终都占用这个带宽，所有用户在相同时间占用不同的带宽，通过频分复用共享信道也叫作频分多址FDMA
  • 时分复用TDM：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)每一个用户所占的时隙周期的出现，其周期是TDM帧的长度，所有用户在不同时间占用同样的频带宽度，通过时分复用共享信道也叫作时分多址TDMA
  • 统计时分复用STDM：每一个STDM帧的时隙数小于用户数，当一个帧的数据放满就发送出去
  • 波分复用WDM：实质上是光的频分复用，需要用到光调制器和光解调器
  • 码分复用CDM：各用户使用特定的不同码型，彼此之间互不干扰，通过码分复用共享的信道也叫作码分多址CDMA，在CDMA中，每一个比特时间被划分为m个短的间隔，称为码片
    • 若发送比特1，则发送自己的m比特的码片序列，若发送比特0，则发送该码片的二进制反码，将收到的码片序列和各站的码片序列规格化内积，结果是1，则发送1，结果是0则没有发送，结果是-1则发送0.
• 宽带接入技术
  • ADLS技术
    • 非对称数字用户线ADLS技术：利用数字技术将模拟电话的用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务
    • 将0-4kHz的低端频谱留给传统电话使用，把没有被利用过的高端频谱留给用户上网使用
    • 特点：下行（从ISP到用户）带宽远大于上行（从用户到ISP）带宽
    • 最大好处：可以利用现有电话网中的用户线，而不需要重新布线
  • DMT调制技术
  • 光纤同轴混合网（HFC网）
    • 需要使用的设备：机顶盒、电缆调制解调器
  • FTTx技术
    • FTTH：光纤入户
    • FTTB：光纤入大楼
    • FTTC、FTTZ、FTTF、FTTO、FTTD等