2.1 物理层的基本概念

2.2.1 数据通信系统的模型

2.2.2 有关信号的几个基本概念

1.通信

2.调制

3.编码

2.2.3 信道的极限容量

1.信道能够通过的频率范围（奈氏准则）

2. 信噪比（香农公式）

3.奈氏准则与香农公式的比较

4. 例题

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 导引型传输媒体

2.3.2 非导引型传输媒体

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

2.4.2 波分复用 WDM

2.4.3 码分复用 CDM

码片序列(chip sequence)

CDMA 的重要特点

码片序列的正交关系举例

正交关系的另一个重要特性

例题

2.5 数字传输系统

1.PCM脉冲编码调制

2.抽样

3.量化

4.异步通信

5. 同步通信

6. 同步光纤网 SONET

2.6 宽带接入技术

2.6.1 ADSL 技术

1. DSL 的几种类型

2.ADSL 的特点

3. DMT 技术

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

2.6.3 FTTx 技术

习题

2.1 物理层的基本概念

物理层考虑怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：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、固定和锁定装置等等。电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）

2.2.2 有关信号的几个基本概念

1.通信

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互

双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或接受

双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息

2.调制

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号

调制分为两大类： 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。

带通调制：使用载波 (carrier)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，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。经过载波调制后的信号叫做带通信号 。

最基本的二元制调制方法有以下几种： 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

3.编码

归零编码：正脉冲代表1，负脉冲代表0

不归零反转：0保持，1跳变

曼彻斯特编码相位编码：跳变低到高0，高到低1

差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1

2.2.3 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

1.信道能够通过的频率范围（奈氏准则）

奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信道上的最高码元传输速率： B=2W (Baud) W-理想低通信道的带宽，单位为赫

最大数据传输率： C=2Wlog2L L-一个码元携带的编码的个数

注意：(1)实际使用的信道与理想化的信道有很大差别，其能传输的最高码元速率要低得多 (2) 波特和比特是两个不同的概念：码元传输率也称为调制速率、波形速率或符号速率，单位Baud-码元/秒，比特是信息量单位，b/秒。

奈氏准则总结：在理想的低通信道上每秒钟可以传输的码元个数为带宽的两倍 例如：带宽为3K HZ 的理想低通信道，其最高码传输速率为：6000 Baud，若一个码元可以携带2bit 的信息量，则最高信息传输速率为12000 b/s

2. 信噪比（香农公式）

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。

香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率

香农公式 信道的极限信息传输速率 C 可表达为：

W 为信道的带宽（ Hz ）、S 为信道内所传信号的平均功率、 N 为信道内部的高斯噪声功率。

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是：用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

3.奈氏准则与香农公式的比较

奈氏准则：激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。

香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

4. 例题

若信号的信噪比为20dB，那么这条链路上的每一个码元所能携带的最多的状态是多少个？

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。

非导引型传输媒体：指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

2.3.1 导引型传输媒体

① 双绞线：屏蔽双绞线 STP、无屏蔽双绞线 UTP

② 同轴电缆：50 Ω 同轴电缆、75 Ω同轴电缆

③ 光缆：光纤是光纤通信的传输媒体，由于可见光的频率非常高，因此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：可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。

单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤。

2.3.2 非导引型传输媒体

利用无线电波在自由空间的传播可较快地实现多种通信，因此将自由空间称为“非导引型传输媒体”。无线传输所使用的频段很广： LF ~ THF （30 kHz ~ 3000 GHz）

短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

无线电微波通信：在空间主要是直线传播

多径效应：基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方。多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

误码率（即比特错误率）不能大于可容许的范围

远距离微波通信：微波接力，中继站把前一站送来的信号放大后再发送到下一站。

卫星通信：通信容量大，通信距离远，通信比较稳定，通信费用与通信距离无关

2.4 信道复用技术

2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

复用是通信技术中基本概念，允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

2.4.2 波分复用 WDM

波分复用就是光的频分复用，使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

2.4.3 码分复用 CDM

常用的名词是码分多址 CDMA ，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

码片序列(chip sequence)

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列

如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列

如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。发送比特 1 时，就发送序列 00011011，发送比特 0 时，就发送序列 11100100。 S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

CDMA 的重要特点

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)。

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。

两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积 (inner product) 等于 0：

码片序列的正交关系举例

正交关系的另一个重要特性

例题

设某一站接收到的各站发来的码的叠加值为: M(M1,M2,M3,…Mm), 求S站发送何数据

2.5 数字传输系统

在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用 FDM 的模拟传输方式。 与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。 目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。 脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。现代电信网业务括话音、视频、图像和各种数据业务。因此需要一种能承载来自其他各种业务网络数据的传输网络。在数字化的同时，光纤开始成为长途干线最主要的传输媒体。

1.PCM脉冲编码调制

2.抽样

在进行模拟/数字信号的转换过程中，当抽样频率大于信号中最高频率的2倍时，抽样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息。抽样定理是把时间上连续的模拟信号转换成时间上离散的抽样信号。抽样定理是任何模拟信号(语音、图象以及生物医学信号等等)数字化的理论基础。

3.量化

定义：把幅度上仍连续的抽样信号进行幅度离散，即指定M个规定的电平，把抽样值用最接近的规定电平表示的过程称为量化。这有限个电平称为量化电平。

与抽样的关系：抽样是把一个时间连续信号变换成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的抽样变成取值离散的抽样值序列。

量化噪声：量化产生的量化误差。

4.异步通信

异步通信是指通信的发送与接收设备使用各自的时钟控制数据的发送和接收过程。为使双方的收发协调，要求发送和接收设备的时钟尽可能一致。

异步通信的特点：不要求收发双方时钟的严格一致，实现容易，设备开销较小，但每个字符要附加2～3位用于起止位，各帧之间还有间隔，因此传输效率不高。

异步通信是以字符（帧）为单位进行传输，字符与字符之间的间隙（时间间隔）是任意的，即字符之间是异步的，但同一字符内的各位是同步的。

5. 同步通信

同步通信时要建立发送方时钟对接收方时钟的直接控制，使双方达到完全同步。此时，传输数据的位之间的距离均为“位间隔”的整数倍，同时传送的字符间不留间隙，即保持位同步关系，也保持字符同步关系。发送方对接收方的同步可以通过两种方法实现。

6. 同步光纤网 SONET

同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。

2.6 宽带接入技术

用户要连接到互联网，必须先连接到某个 ISP。

在互联网的发展初期，用户都是利用电话的用户线通过调制解调器连接到 ISP 的，电话用户线接入到互联网的速率最高只能达到 56 kbit/s。

美国联邦通信委员会 FCC 定义：宽带下行速率达 25 Mbit/s，宽带上行速率达 3 Mbit/s

2.6.1 ADSL 技术

ADSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。 ADSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。 DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。

1. DSL 的几种类型

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线

HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线

SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线

VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线

DSL ：ISDN 用户线。

RADSL (Rate-Adaptive DSL)：速率自适应 DSL，是 ADSL 的子集，可自动调节线路速率）

2.ADSL 的特点

上行和下行带宽做成不对称的。

上行指从用户到 ISP，而下行指从 ISP 到用户。

ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。

我国目前采用的方案是离散多音调 DMT 调制技术。“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。

3. DMT 技术

DMT 调制技术采用频分复用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道，其中 25 个子信道用于上行信道，而 249 个子信道用于下行信道。每个子信道占据 4 kHz 带宽（严格讲是 4.3125 kHz），并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

2.6.2 光纤同轴混合网（HFC网）

HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。 HFC 网除可传送 CATV 外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。

现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造

2.6.3 FTTx 技术

习题

问题2-1：传输媒体是物理层吗？传输媒体和物理层的主要区别是什么？

答：传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面。由于物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。也就是说，传输媒体不知道所传输的信号什么时候是1什么时候是0。但物理层由于规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制？

数据在信道中的传输速率是受限制的。

首先，具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信道中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信道中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。也就是说，扩散了的码元波形所占的时间也变得更宽了。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰使得本来分的很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。为了避免码间串扰，码元的传输速率就受到了限制。

其次，所有的电子设备和通信信道中都存在噪声。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1判决为0或0判决为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。对于一定的信噪比，码元的传输速率越大就越容易出现接受时的判决错误。如果增大信噪比，那么码元的传输速率就可以提高而不至于使判决错误的概率增大。

信噪比能否任意提高？

在实际的传输环境中，信噪比不可能做到任意大。一方面，我们的信号传输功率是受限的（经济问题，器件问题，材料的绝缘问题，等等），而任何电子设备的噪声也不可能做到任意小（任何电子设备都有其固有噪声）。因此，在实际的传输环境中，信噪比不可能做到任意大。

“比特/每秒”和“码元/每秒”有何区别?

“比特/每秒”和“码元/每秒”是不完全一样的，因为比特和码元所代表的意思并不相同。在使用二进制编码时，一个码元对应于一个比特。在这种情况下， “比特/每秒”和“码元/每秒”在数值上是一样的。但一个码元不一定总是对应于一个比特。根据编码的不同，一个码元可以对应于几个比特，但也可以是几个码元对应于一个比特。

假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（b/s）？

如果我们用二进制数字来表示这16个不同等级的振幅，那么需要使用4个二进制数字。即0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,1010,1011,1100,1101,1110,1111.可见现在用一个码元就可以表示4个比特。因此码元速率为20000码元/秒时，我们得到的数据率就是4倍的码元速率，即80000b/s。

假定要用3kHz带宽的电话信道传送64kb/s的数据（无差错传输），试问这个信道应具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示）？这个结果说明什么问题？