物理层 Physical Layer

物理层的基本概念

物理层主要任务为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，像是：

机械特性 — 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

电气特性 — 接口电缆的各条线上出现的电压的范围

功能特性 — 某条线上出现的某一电平的电压的意义

过程特性 — 对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信的基础知识

信道 (Channel) 一般表示向某一方向传送信息的介质。

通信的目的是传送 消息 (Message)，消息的实体是 数据 (Data)。

信号 (Signal) 是数据的电气的或电磁的表现，分为模拟信号和数字信号两大类。

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称为 码元。

码元速率 指单位时间内通过信道的码元个数，单位为 波特 (baud)。

数据速率 指单位时间内通过信道的信息量，单位为 b/s 或 bps。

有关信号的几个基本概念

通信的双方信息交互的方式有三种基本方式。

单项通信或单工通信 (Simplex)

只能有一个方向的通信，没有反方向的交互。

双向交替通信或半双工通信 (Half-duplex)

通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送和接收信息。

双向同时通信或全双工通信 (Duplex)

通信的双方都可以同时发送和接收信息。

基带信号或基本频带信号 (baseband)

来自信源的信号。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。

带通信号 (band pass)

基带信号经过载波调制后，信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。

调制 (modulation)

基带信号包含很多低频成分，甚至有直流成分，许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。

基本的二元制调制方法

调幅 (Amplitude Modulation, AM)

载波的振幅随着基带数字信号而变化，如 0 或 1 分别对应无载波或有载波输出。

调频 (Frequency Modulation, FM)

载波的频率随着基带数字信号而变化，如 0 或 1 分别对应频率 $f_1$ 或 $f_2$ 。

调相 (Phase Modulation, PM)

载波的初始相位随着基带数字信号而变化，如 0 或 1 分别对应相位 0 度或 180 度。

信道的极限容量

信号失真问题

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，不可能以任意高的速率进行传送。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。

信道能够通过的频率范围

一个信道所能通过的频率范围总是有限的，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，在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象就叫码间串扰。

奈奎斯特定理 (Nyquist)

理想低通信道最大数据传输率： $2H~log_2 V$ (bps)

H：信道带宽，V：信号电平的级数

在任何信道中，码元传输的速率都是有上限的，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。如果信道的频带越宽，能通过的信号高频分量越多，就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。噪声会使接收端对码元的判决产生错误，但其影响也是绝对的。若信号相对较强，噪声的影响就相对较小。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 $S/N$ ，度量单位为分贝 dB。

信噪比 (dB) $=~10~log_{10}(S/N)$ (dB)

香农公式

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。

信道的极限信息传输速率 $C = W~log_2(1+S/N)$ (bit/s)

W：信道带宽(Hz)，S：信道内所传信号的平均功率，N：信道内部的高斯噪声功率

物理层下面的传输介质

传输介质，又称为传输媒体或传输媒介，指数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体分为两大类，导引型传输介质及非导引型传输介质。

导引型传输介质

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。

双绞线 (twisted pair)

将两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。在网络时代前，使用双绞线最多的地方就是到处都有的电话系统。其价格便宜，便于安装使用，但传输距离较短。

双绞线可分为非屏蔽双绞线以及屏蔽双绞线，屏蔽双绞线是在双绞线的外面加上一层用金属丝编织成的屏蔽层，以提高双绞线抗电磁干扰的能力。局域网布线系统常使用8芯非屏蔽双绞线。

同轴电缆 (coaxial cable)

由内导体铜质芯线、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及保护塑料外层组成。其抗干扰能力和传输速率均高于双绞线，但造价较高，大规模安装使用不便。

广泛应用的同轴电缆分为 $50\Omega$ 同轴电缆和 $75\Omega$ 同轴电缆。

光纤 (fiber optics)

光纤由非常透明的石英玻璃拉成细丝，由纤芯和包层构成双层通信圆柱体。光纤分为多摸光纤以及单模光纤。光纤通信的优点如下：

通信容量大
传输损耗小，通信距离长
抗干扰能力强、保密性好
体积小、重量轻

但安装较为复杂，需要专用设备、光电转换等。广泛应用于长途干线传输、局域网或城域网的干线、高带宽且高可靠的网络连接，像是服务器等。

多摸 (multi-mode) 光纤

从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就会产生反射。因此，可存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。光脉冲在多摸光纤中传输会逐渐展宽，造成失真，因此只适合于近距离传输。

单模 (single-mode) 光纤

光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤可像一根波导一样，使光纤一直向前传播不反射。单模光纤的衰耗较小，可在高速率下进行较长距离的传输。

非导引型传输介质

非导引型传输媒体就是自由空间，在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。其主要分类为短波通信和微波通信及卫星通信。

无线通信的适用场合有偏远地区、城市中敷设线缆较为困难的场合以及移动设备。

短波通信

通过电离层反射，传输距离长，通信质量较差，传输速率低。

微波通信及卫星通信

微波的频率范围为 300Mhz ~ 300Ghz，但主要使用 2 ~ 40Ghz 的频率范围。微波在空间主要是直线传播，可使用抛物面状天线将能量聚集成束，从而获得极高信噪比。

地面微波接力通信

由于微波在空间是直线传播的，为了实现远距离通信就必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站，中继站将前一站送来的信号放大之后再发送到下一站，因此称为接力。

其优点：

微波波段频率高，通信频段范围宽，因此通信信道的容量大。
无线通信中，抗干扰能力较强，传输质量较高。
建设速度快、成本低。

其缺点：

相邻站之间必须直视，不能有障碍物，容易受地理或建筑物影响。
有时会受气候影响，像是雷电、太阳黑子爆发等。
与电缆通信系统比较，隐蔽性和保密性较差。
中继站的使用和维护需要消耗较多人力和物力。

卫星通信

主要通过卫星进行微波信号转发。其特点是具有较大的传播时延，对于地球同步卫星单向时延可达 250-300ms，一般可取为 270ms。地球同步卫星的优点如下：

通信距离远、覆盖范围广。
频带宽，通信容量较大。
信号受到的干扰较小，通信比较稳定。

除了地球同步卫星之外，低轨道卫星在数据通信领域发展较快，主要是因为其以下特点：

卫星造价和发射成本低。
传输距离短，信号衰减小，可与地面手持设备通信。
传播时延较小。

关于无线频谱政策

多数的无线频段由政府管理和分配。若想使用某一段无线电频谱进行通信，则必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。这是因为电磁波在空间中传播时会相互影响，且无线频段范围有限。

但也存在一些无线电频段是可以自由使用的，即 ISM 频段，ISM 是 Industrial, Scientific, Medical 的缩写。

使用 ISM 频段的限制为发射功率必须小于 1 Watt，使用的设备有 WLAN、蓝牙、无线鼠标等，这极大地促进了短距离无线通信的应用。

信道复用技术

复用 (Multiplexing) 是在一个信道上传输多路信号。

频分多路复用 (Frequency Division Multiplexing, FDM)

频分多路复用是每个用户占用不同的频带资源，用户在通信的过程中自始至终都占用这个频带。

时分多路复用 (Time Division Multiplexing, TDM)

时分多路复用是将时间划分成一段段等长的时隙，每个用户在不同的时隙 (time slot) 占用同样的频带宽度，便于数字传输。

统计时分多路复用 (Statistic TDM)

一种根据用户实际需求动态分配线路资源的时分复用法。只有当用户有数据要传输时才给他分配线路资源，可提高线路的利用率。

波分复用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM)

波分复用是光的频分复用，是使用光调制器将一系列载有信息，但波长不同的光信号合成一束，沿着单根光纤传输。接收端再用光解调器将各个不同波长的光信号分开。这使光线的传输能力大幅提升。

密集波分复用 (Dense WDM)

波分复用的一种具体表现形式。其波长间隔很小，因此可将几十路甚至一百多路的光载波信号复用到一根光纤中传输。由于 DWDM 的普及应用，目前人们讨论的 WDM 系统几乎全都是 DWDM。

码分复用 (Code Division Multiplexing, CDM)

更常用的名次为码分多址 (Code Division Multiplexing Access, CDMA)。每个用户可在同一时间使用同一频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，各用户之间不会造成干扰，因此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。

数字传输系统

数字通信与模拟通信相比，传输质量上或经济上都有明显优势。目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。早期的数字传输系统存在着许多缺点，其中主要的是以下两个：

速率标准不统一

由于历史的原因，多路复用的速率体系有两个互不兼容的国际标准，再往上的复用又有第三种不兼容的标准。这导致国际范围的基于光纤的高速数据传输就很难实现。

不是同步传输

为节约经费，各国的数字网主要采用准同步方式。在准同步系统中各支路信号的时钟频率有一定偏差，给时分复用和分用带来许多麻烦。当数据传输速率很高时，收发双方的时钟同步就成为很大的问题。

脉码调制系统 (Pulse Code Modulation, PCM)

用于电话交换系统，在数字传输系统中进行多路语音的变化与传输。脉冲编码调制是一种对模拟信号数字话的采样技术，将模拟语音信号变换为数字信号的编码方式，特别是对于音频信号。PCM 对信号每秒钟采样 8000 次。每次采样数据为 8bit，语音数据速率为 64kb/s。数据化的语音数据进行时分多路复用。

同步光纤 (Synchronous Optical Network, SONET)

用于高速干线传输，特别是光纤传输。美国在 1988 年首先推出的一个数字传输标准，整个的同步网络的各级时钟都来自一个非常准确的主时钟。SONET 光纤传输系统定义了同步传输的线路速率等级结构，其传输速率以 51.84Mbit/s 为基础。

同步数字系列 (Synchronous Digital Hierarchy, SDH)

ITU-T 以美国标准 SONET 为标准制定出的国际标准。最基本的模块为 STM-1，传输速率为 115.52Mbit/s。

第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module-1, STM-1)

通过光纤传输数据的一系列标准。SDH 标准规定 STM-1 的传输速率为 115.52Mbit/s，并把 n 倍的速率记为 STM-n。

宽带接入技术

通常指远程用户访问网络的技术，目前宽带尚无统一的定义，宽带接入泛指超越传统的 modem + 电话线拨号上网（最高 56kbps）的技术。2015 年 1 月，美国联邦通信委员会 FCC 对接入网的宽带进行了重新定义，将原定的带宽下行速率调整至 25MBit/s，原定的宽带上行速率调整至 3MBit/s。

从宽带接入的媒体来看，可划分为两大类。一类是有线宽带接入，而另一类是无线宽带接入。

最后一英里 (last mile)

通常指通信运营商局端到家庭用户之间的本地回路，是宽带接入技术需要面对的核心问题之一。由于对此段线路进行数字化改造代价高昂，因此仍普遍采用模拟传输方式。xDSL技术在不改变最后一英里 (last mile) 线路的前提下，通过改造现有的模拟电话用户线的传输方式，使其能够承载宽带业务。

xDSL的几种类型有：

Asymmetric Digital Subscriber Line, ADSL

High speed DSL, HDSL

Single-line DSL, SDSL

Very high speed DSL, VDSL

HFC光纤混合同轴网 (Hybrid Fiber Coax)

一种结合光纤与同轴电缆的宽掉接入网，由光纤取代一般电缆线，是一个以有线电视网 CATV 为基础的宽带接入技术。HFC 有单线网和双向网两种，单向 HFC 网仅用光纤取代了传统 CATV 网主干线电缆，扩大了接入网的覆盖范围，基本上仅支持 CATV 业务。而双向 HFC 则是在单向 HFC 网络基础上改造而成，可提供 CATV、语音、数据和其他交互型业务。

HFC 的主要特点有：

主干线路采用光纤，并采用结点体系结构。光纤从头端连接到光纤结点。在光纤结点光信号被转换为电信号，再通过同轴电缆传送到每个用户家庭。
具有比 CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能。其宽带可满足综合业务和高速数据传输需要。
每个家庭都需要安装一个用户接口盒 (User Interface Box, UIB)。用户接口盒提供 3 种连接，分别是同轴电缆连接到机顶盒 (set-top box)、双绞线连接到用户的电话机、电缆调制解调器 (cable modem) 连接到用户的计算机。

基于光纤的宽带接入 FTTx

这是基于光纤传输的宽带接入技术。现有许多不同的 FTTx，像是光纤到户 (Fiber To The Home, FTTH)、光纤到大楼 (Fiber To The Building, FTTB)、光纤到路边 (Fiber To The Curb, FTTC) 等。

目前用于光纤到户的技术为无源光网络 (Passive Optical Network, PON)。无源表示在光配线网中无需配备电源，因此运营维护成本低。光配线网采用波分复用，上行和下行分别使用不同的波长。无源光网络的种类很多，但最流行的是以太网无源光网络 (Ethernet PON) 及吉比特无源光网络 (Gigabit PON)。

以太网无源光网络 (Ethernet PON)

2004 年 6 月形成了 IEEE 的标准 802.3ah。在链路层使用以太网协议，利用 PON 的拓扑结构实现了以太网的接入。其优点有，与现有以太网兼容性好、成本低、扩展性强、管理方便。

吉比特无源光网络 (Gigabit-capble PON)

2003 年 1 月 ITU 批准的 ITU-T G.984 标准。GPON 采用通用封装方法 (Generic Encapsulation Method, GEM)，可承载多业务，对各种业务类型都能提供服务质量保证，是很有潜力的宽带光纤接入技术。