物理层

物理层的基本概念

物理层考虑怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不考虑具体的传输媒体。

硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使数据链路层感觉不到，而只需要考虑如何完成本层的协议和服务。用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。其实就是物理层协议。

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即：

1. 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
2. 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
4. 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

物理层协议种类较多。这是因为：

• 物理连接的方式很多（例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接），
• 传输媒体的种类很多（如架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线信道等）。

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为源系统、 传输系统和目的系统

源系统一般包括：

• 源点（又称为源站，或信源）：源点设备产生要传输的数据，例如计算机产生输出的数字比特流。
• 发送器 ：通常数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多计算机使用内置的调制解调器。

传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

目的系统一般包括：

• 接收器 ：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的是解调器，它把来自模拟信号解调，还原出发送端产生的数字比特流。
• 终点（又称为目的站，或信宿）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。

通信的目的是传送消息(message)。如话音、文字、图像、视频等都是消息。数据(data)是运送消息的实体。数据→ RFC 4949是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器（或人）处理或产生。信号(signal) 则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为：

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就称为码元 。在使用二进制编码时，只有两种的码元。

有关信道的几个基本概念

信道和电路：信道一般都是表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。通信的双方有三种基本的信息交互的方式：

1. 单向通信，又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。例：无线电广播或有线电广播以及电视广播。
2. 双向交替通信，又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。
3. 双向同时通信 ，又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

注意：

• 双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道。双向同时通信的传输效率最高。
• 有时人们也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。如常说的“单工电台”并不是只能进行单向通信。所以 ITU-T 才不采用“单工”、“半双工”和“全双工”这些容易弄混的术语。

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。许多信道并不能传输基带信号中的低频分量或直流分量。就必须对基带信号进行调制(modulation)。

调制可分为两大类：

1. 基带调制：仅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。这是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，可称为编码(coding)。
2. 带通调制：需要使用**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，以更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

常用的编码方式

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表1。

曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法

• 调幅(AM)：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0 或 1 分别对应于无载波或有载波输出。
• 调频(FM)：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1 或 f2。
• 调相(PM)：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如，正交振幅调制 QAM (Quadrature Amplitude Modulation)。

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，不可能以任意高的速率进行传送。数字通信中信号在信道上传输时会产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

限制码元在信道上的传输速率的因素有：

1. 信道能够通过的频率范围。

信道带宽总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信号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，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。

1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导的奈氏准则。他给出了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：在带宽为W(Hz)的低通信道，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。例如,信道的带宽为4000Hz.那么最高码元传输速率就是每秒8000个码元。

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。

2. 信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。噪声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。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。所谓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。即：信噪比(dB) = 10 $\log _ {10}$ (S/N) (dB)

在 1948 年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了的香农公式：信道的极限信息传输速率C是

W为信道的带宽（以Hz为单位）；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，信息的极限传输速率就越高。香农公式指出了信息传输速率的上限。

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，就需用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

假定我们的基带信号是：101011000110111010⋅⋅⋅ 如果直接传送，则每一个码元所携带的信息量是 1 bit。现将信号中的每 3 个比特编为一个组，则共有 8 种不同的排列。可以用8种不同的振幅，或8种不同的频率，或8种不同的相位进行调制。假定我们采用相位调制，用相位ϕ0表示000, ϕ1表示 001, ϕ2表示 010,…, ϕ7 表示 111。这样，原来的 18 个码元的信号就转换为由 6 个新的码元（即由原来的每三个bit 构成一个新的码元）组成的信号： 101011000110111010 $\cdots$ = $\varphi_{5}\varphi _ {3}\varphi _ {0}\varphi _ {6}\varphi _ {7}\varphi _ {2} \cdots$ 此时若以同样的速率发送码元，则同样时间所传送的信息量就提高到了3倍。

自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，在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。这是因为信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰和在传输中产生的失真等等。这些因素在香农公式的推导过程中并未考虑。

物理层下面的传输媒体

传输媒体就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。可分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体（这里的“导引型”的英文就是guided）。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，而非导引型传输媒体就是指自由空间，其中电磁波的传输常称为无线传输。

导引型传输媒体

双绞线

双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路(subscriberloop)。通常将一定数量的这种双绞线捆成电缆，在其外面包上护套。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输），或者加上中继器以便对失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。在数字传输时，若传输速率为每秒几个兆比特，则传输距离可达几公里。由于双绞线的价格便宜且性能也不错，因此使用十分广泛。为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称为STP (Shielded Twisted Pair)。价格相对要贵一些。

真题

【2009题34】在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3 kHz，采用4个相位、每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是

A. 12 kbps   B. 24 kbps   C. 36 kbps   D. 96 kbps

答案 B

【解析】采用四个相位每个相位有 4 种振幅的 QAM 调制技术后，每个信号可以有 16 种变化，每个信号可以传输 $\log_{2}{16}=4bit$ 的数据。而链路带宽为 3KHz，采样频率为带宽的两倍，即 $3kHz\times2＝6kHz$，所以最大传输速率是 $6kHz\times4bit＝24kbps$。