基本概念
物理層的主要任務(wù)描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性
- 機(jī)械特性
指明接口所用接線器的形狀和·尺寸岂嗓、引線數(shù)目和排列校哎、固定和鎖定裝置等等吏夯。 - 電氣特性
指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍 - 功能特性
指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何種意義 - 過程特性
指明對于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序
幾個(gè)術(shù)語
- 數(shù)據(jù) --- 運(yùn)送消息的實(shí)體
- 信號 --- 數(shù)據(jù)的電氣或電磁的表現(xiàn)
- 模擬的 --- 代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的
- 數(shù)字的 --- 代表消息的參數(shù)的取值是離散的
- 碼元 --- 在使用時(shí)間域（時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號時(shí)静浴，代表不同離散數(shù)值的基本波形
有關(guān)信號的幾個(gè)基本概念
- 單向通信（單工通信）
只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互 - 雙向交替通信（半雙工通信）
通信的雙方都可以發(fā)送信息磷籍，但不能雙方同時(shí)發(fā)送（也不能同時(shí)接收） - 雙向同時(shí)通信（全雙工通信）
通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息
基帶信號和帶通信號
- 基帶信號（基本頻帶信號）
來自信源的信號适荣，計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號，基帶信號往往包含較多的低頻成分院领，甚至有直流成分弛矛，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量，因此必須對基帶信號進(jìn)行調(diào)制 - 帶通信號
把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后比然，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道）
幾種最基本的調(diào)制方式
- 調(diào)幅（AM）
載波的振幅隨基帶數(shù)字信號而變化 - 調(diào)頻（FM）
載波的頻率隨基帶數(shù)字信號而變化 - 調(diào)相（PM）
載波的初始相位隨基帶數(shù)字信號而變化
為了達(dá)到更高的信息傳輸速率丈氓，必須采用技術(shù)上更為復(fù)雜的多元制的振幅和相位混合調(diào)制方法，例如正交振幅調(diào)制（PPT 11頁）
信道的極限容量
- 任何實(shí)際的信道都不是理想的强法，在傳輸信號時(shí)會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾
- 碼元傳輸?shù)乃俾试礁咄蛩祝蛐盘杺鬏數(shù)木嚯x越遠(yuǎn)，在信道的輸出端的波形失真就越嚴(yán)重
信道能夠通過的頻率范圍
1924年饮怯，奈奎斯特（Nyquist）就推導(dǎo)出了著名的奈氏準(zhǔn)則闰歪。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串?dāng)_蓖墅，碼元的傳輸速率的上限值库倘。
在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜穆鄯駝t就會出現(xiàn)碼間串?dāng)_的問題于樟，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。
如果信道的頻帶（指無線電頻譜上頻率界限之間的部分）越寬拇囊，也就是能夠通過的信號高頻分量越多迂曲，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。
信噪比
香農(nóng)用信息論的理論推導(dǎo)出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限寥袭，無差錯(cuò)的信息傳輸速率路捧。
信道的極限信息傳輸速率C可表達(dá)為
C = Wlog2(1+S/N)b/s
- W為信道的帶寬（以Hz為單位）
- S為信道內(nèi)所傳信號的平均功率
- N為信道內(nèi)部的高斯噪聲功率
香農(nóng)公式表明
- 信道的帶寬或信道中的信噪比越大关霸，則信息的極限傳輸速率就越高
- 只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實(shí)現(xiàn)無差錯(cuò)的傳輸杰扫。
- 若信道帶寬W或信噪比S/N沒有上限（當(dāng)然實(shí)際信道不可能是這樣的）队寇，則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限
- 實(shí)際信道上能夠達(dá)到的信息傳輸速率要比香農(nóng)的極限傳輸速率低不少。
對于頻帶寬度已確定的信道章姓，如果信噪比不能再提高佳遣，而且碼元傳輸速率也達(dá)到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率凡伊。這就是用編碼的方法讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量零渐。
物理層下面的傳輸媒體
- 雙絞線
- 屏蔽雙絞線STP
- 無屏蔽雙絞線UTP
類數(shù)代表抗干擾能力（3類 5類等）
- 同軸電纜
- 50Ω同軸電纜
- 75Ω同軸電纜
- 光纜
光線在光纖中的折射
光纖的工作原理
多模光纖與單模光纖
非引導(dǎo)型傳輸媒體
- 無線傳輸所使用的頻段很廣
- 短波通信主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質(zhì)量較差
- 微波在空間主要是直線傳播
- 地面微波接力通信
- 衛(wèi)星通信
無線局域網(wǎng)使用的ISM頻段
信道復(fù)用技術(shù)
復(fù)用是通信技術(shù)中的基本概念
下圖可以很清晰的解釋復(fù)用
頻分復(fù)用FDM（Frequency Division Multiplexing）
- 用戶在分配到一定的頻帶后系忙，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶诵盼。
- 頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的帶寬是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）银还。
時(shí)分復(fù)用TDM（Time Division Multiplexing）
- 時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段等長的時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀）风宁。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號的時(shí)隙
- 每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長度）
- TDM信號也稱為等時(shí)信號
- 時(shí)分復(fù)用的所有用戶是在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度
時(shí)分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費(fèi)
使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)蛹疯，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的戒财。
統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用STDM（Statistic TDM）
是一種改進(jìn)的時(shí)分復(fù)用器，它能明顯的提高信道利用率捺弦。集中器常使用這種統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用固翰。統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用使用STDM幀來傳送復(fù)用的數(shù)據(jù)。但每一個(gè)STDM幀中的時(shí)隙數(shù)小于連接在集中器上的用戶數(shù)羹呵。各用戶有了數(shù)據(jù)就隨時(shí)發(fā)往集中器的輸入緩存骂际，集中器按順序依次掃描輸入緩存，把緩存中的數(shù)據(jù)放入到STDM幀中冈欢。對沒有數(shù)據(jù)的緩存就跳過去歉铝。當(dāng)一個(gè)幀的數(shù)據(jù)滿了就發(fā)送出去〈粘埽可見STDM幀不是固定分配時(shí)隙太示，而是按需動(dòng)態(tài)的分配時(shí)隙。我們還可以看出香浩，在輸出線路上类缤，某一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙并不是周期性出現(xiàn)。因此統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用又稱為異步時(shí)分復(fù)用邻吭，而普通的時(shí)分復(fù)用稱為同步時(shí)分復(fù)用餐弱。
波分復(fù)用WDM（Wavelength Division Multiplexing）
波分復(fù)用就是光的頻分復(fù)用
碼分復(fù)用CDM（Code Division Multiplexing）
人們更常用的名詞是碼分多址CDMA(Code Division Multiplexing Access)，每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。但由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型膏蚓，因此各用戶之間不會造成干擾瓢谢。碼分復(fù)用最初用于軍事通信，因?yàn)檫@種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強(qiáng)的抗干擾能力驮瞧，其頻譜類似于白噪聲氓扛，不易被敵人發(fā)現(xiàn)
在CDMA中，每一個(gè)比特時(shí)間（發(fā)送1比特需要的時(shí)間）再劃分為m（通常為64或128）個(gè)短間隔论笔，稱為碼片
使用CDMA的每一站被指派一個(gè)唯一的m bit碼片序列
- 若發(fā)送比特1采郎，則發(fā)送自己的m bit碼片序列
- 若發(fā)送比特0，則發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼
例如狂魔，S站的8 bit碼片序列是00011011蒜埋，發(fā)送比特1時(shí)，就發(fā)送序列00011011毅臊，發(fā)送比特0時(shí)理茎，就發(fā)送序列11100100黑界。為了方便管嬉，我們按慣例將碼片中的0寫為-1，將1寫作+1朗鸠。
現(xiàn)假定S站要發(fā)送信息的數(shù)據(jù)率為b b/s蚯撩，由于每一個(gè)比特要轉(zhuǎn)換成m個(gè)比特的碼片，因此S站實(shí)際上發(fā)送的數(shù)據(jù)率提高到mb b/s烛占，同時(shí)S站所占用的頻帶寬度也提高到原來數(shù)值的m倍胎挎。這種通信方式是擴(kuò)頻通信的一種。
CDMA系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是這種體制給每一個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同忆家，并且還必須互相正交犹菇，在實(shí)用的系統(tǒng)中是使用偽隨機(jī)碼序列
令向量S表示站S的碼片向量，令T表示其他任何站的碼片向量芽卿。兩個(gè)不同站的碼片序列正交揭芍，就是向量S和T的規(guī)格化內(nèi)積都是0：
任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1
一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值為-1
CDMA的工作原理
設(shè)S站要發(fā)送的數(shù)據(jù)是1 1 0三個(gè)碼元。再設(shè)CDMA將每一個(gè)碼元擴(kuò)展為8個(gè)碼片卸例，S站的碼片序列序列見圖称杨，S站發(fā)送的擴(kuò)頻信號為Sx（應(yīng)當(dāng)注意到，S站發(fā)送的擴(kuò)頻信號Sx中筷转，只包含互為反碼的兩種碼片序列）
當(dāng)接收站打算收S站發(fā)送的信號時(shí)姑原，就用S站的碼片序列與收到的信號求規(guī)格化內(nèi)積。這相當(dāng)于分別計(jì)算S·Sx 和S·Tx呜舒。見上圖
數(shù)字傳輸系統(tǒng)
脈碼調(diào)制PCM體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話锭汛。
由于歷史上的原因，PCM有兩個(gè)互不兼容的國際標(biāo)準(zhǔn)，即北美的24路PCM（簡稱T1 速率1.544mb/s）和歐洲的30路PCM（簡稱E1 2.048mb/s）店乐。我國采用的是歐洲的E1標(biāo)準(zhǔn)艰躺。當(dāng)有更高的數(shù)據(jù)率時(shí)，可采用復(fù)用的方法眨八。
舊的數(shù)字傳輸系統(tǒng)存在著許多缺點(diǎn)
- 速率標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一
如果不對高次群的數(shù)字傳輸速率進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化腺兴，國際范圍的高速傳輸就很難實(shí)現(xiàn)。 - 不是同步傳輸
在過去相當(dāng)長的時(shí)間廉侧，為了節(jié)約經(jīng)費(fèi)页响，各國的數(shù)字網(wǎng)主要采用是準(zhǔn)同步方式
現(xiàn)代采用
- 同步光纖網(wǎng)SONET(Synchronous Optical Network)
- 同步數(shù)字系列SDH(Synchronous Digital Hierarchy)
寬帶接入技術(shù)
ADSL技術(shù)（Asymmetric Digital Subscriber Line）
非對稱數(shù)字用戶線ADSL技術(shù)是用數(shù)字技術(shù)對現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶數(shù)字業(yè)務(wù)段誊。
- 標(biāo)準(zhǔn)模擬電話信號的頻帶被限制在300-3400hz的范圍內(nèi)颤陶，但用戶線本身實(shí)際可通過的信號頻率仍然超過1mhz
- ADSL技術(shù)就是把0-4khz低端頻譜留給傳統(tǒng)電話使用佩伤，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網(wǎng)使用。
- DSL就是數(shù)字用戶線（Digital Subscriber Line）的縮寫
ADSL的特點(diǎn)
- 上行和下行帶寬做成不對稱
- 上行指從用戶到ISP，下行指ISP到用戶
- ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個(gè)ADSL調(diào)制解調(diào)器
- 我國目前采用的方案是離散多音調(diào)DMT(Discrete Multi-Tone)調(diào)制技術(shù)椭微。這里的多音調(diào)就是多載波或多子信道的意思
ADSL的組成
第二代ADSL
- 通過提高調(diào)制效率得到了更高的數(shù)據(jù)率。
- 采用無縫速率自適應(yīng)技術(shù)SRA（Seamless Rate Adaptation）猜憎，可在運(yùn)營中不中斷通信和不產(chǎn)生誤碼的情況下自適應(yīng)地調(diào)整數(shù)據(jù)率
- 改善了線路質(zhì)量評測和故障定位功能届搁，這對提高網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行維護(hù)水平具有非常重要的意義。
光纖同軸混合網(wǎng)HFC（Hybrid Fiber Coax）
HFC網(wǎng)是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)潜腻，CATV的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)埃儿，它除了可傳送CATV外，還提供電話融涣、數(shù)據(jù)和其他寬帶交互業(yè)務(wù)童番，現(xiàn)有的CATV網(wǎng)是樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同軸電纜網(wǎng)絡(luò)，它采用模擬技術(shù)的頻分復(fù)用對電視節(jié)目進(jìn)行單向傳輸威鹿，而HFC網(wǎng)則需要對CATV網(wǎng)進(jìn)行改造剃斧。
HFC的主要特點(diǎn)
- HFC網(wǎng)的主干線路采用光纖
- HFC將原CATV網(wǎng)中的同軸電纜主干部分改換為光纖，并使用模擬光纖技術(shù)
- 在模擬光纖中采用光的振幅調(diào)制AM忽你，這比使用數(shù)字光纖更為經(jīng)濟(jì)幼东。
- 模擬光纖從頭端連接到光纖結(jié)點(diǎn)（fiber node），即光分配結(jié)點(diǎn)ODN（Optical Distribution Node）檀夹。在光纖結(jié)點(diǎn)光信號被轉(zhuǎn)換為電信號筋粗。在光纖結(jié)點(diǎn)以下就是同軸電纜。
-
HFC網(wǎng)采用結(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)
HFC網(wǎng)采用結(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu).png -
HFC網(wǎng)具有比CATV網(wǎng)更寬的頻譜炸渡，且具有雙向傳輸功能
更寬頻譜娜亿，雙向傳輸.png - 每個(gè)家庭要安裝一個(gè)用戶接口盒UIB（User Interface Box），接口盒要提供三種連接
- 使用同軸電纜連接到機(jī)頂盒再連接到用戶的電視機(jī)
- 使用雙絞線連接到用戶的電話機(jī)
- 使用電纜調(diào)制解調(diào)器連接到用戶的計(jì)算機(jī)
FTTx技術(shù)
FTTx（光纖到...）也是一種實(shí)現(xiàn)寬帶居民接入網(wǎng)的方案蚌堵。
- FTTH（Fiber To The Home）光纖到戶 光纖一直鋪設(shè)到用戶家庭可能是居民接入網(wǎng)最后的解決方法
- FTTB（Building）光纖到大樓 光纖進(jìn)入大樓后就轉(zhuǎn)換為電信號买决，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶
- FTTC（Curb）光纖到路邊 從路邊到各用戶可使用星型結(jié)構(gòu)雙絞線作為傳輸媒體
- FTTC
