物理层

6.1 数据通信基础

数据通信系统

• 信源：将消息转换为信号的设备，如计算机等
• 发送设备：将信源产生的信号进行适当的变换装置，使之适合在信道中传输。主要包括编码和调制
• 信道：信号传输通道
• 噪声：自然界和通信设备中所产生的干扰
• 接收设备：完成发送设备反变换，还原原始发送信号
• 信宿：信号终点，将信号转换为供人们识别的消息

常见数据通信术语

• 码元：信号基本波形（信号基本单元）
• 频带：信号频率范围（Hz）
• 带宽：有效带宽（不同于计算机网络中的带宽）
• 数据通信方式：单工、半双工、全双工
• 并行通信和串行通信
• 异步通信
• 同步通信
  • 没有开始位和终止位

信源编码

• 将模拟数据转化为数字数据
• 典型的信源编码：PCM
• 采样——>量化——>编码

6.2 物理介质

导引型传输介质

• 架空明线
• 双绞线
  • 主要用于基带传输
  • 屏蔽双绞线STP
  • 非屏蔽双绞线UTP（常用）
• 同轴电缆
  • 主要用于频带传输
• 光纤
  • 基本原理：光的全反射
  • 分为：多模光纤、单模光纤

非导引型传输介质

• 自由空间
• 地波传播
  • 频率较低（大约2MHz以下）的电磁波趋于沿地球表面传播
  • 有一定的绕射能力
  • 在低频和甚低频段，地波传播距离可以超过数百米或数千公里
• 天波传播
  • 电离层：距离地表60~400km高度
  • 频率较高（大约在2~30MHz之间）的电磁波会被电离层反射
  • 电离层的密度和厚度随时间随机变化
  • 电磁波可以传播10000km以上
• 视线传播
  • 频率高于30MHz的电磁波将穿透电离层，不会被反射回来
  • 沿地面绕射能力很弱
  • 通常采用实现无障碍的点对点直线传播
  • 可以设立地面中继站或卫星中继站进行接力传输

6.3 信道与信道容量

信道分类

• 狭义信道
  • 信号传输介质
• 广义信道
  • 包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置，如发送设备、接收设备、天线、调制器等

信道特性

• 恒参信道
  • 定义：信道参数在通信过程中基本不随时间变化的信道
  • 包括各种有线信道和部分无线信道，如微波视线传播链路和卫星链路等

    理想的恒参信道是一个理想的无失真传输信道

  • 对信号幅值产生固定的衰减
  • 对信号输出产生固定的时延
• 随参信道
  • 定义：信道参数随时间变化的信道
  • 包括许多无线信道
  • 信号的传输衰减随时间随机变化
  • 信号的传输时延随时间随机变化
  • 存在多径传播现象

信道容量

• 定义：信道无差错传输信息的最大平均信息速率
• 奈奎斯特(Nyquist)信道容量公式
  • 理想无噪声信道的信道容量：$C=2B·log_2M$
    • C为信道容量(bps)；B为信道带宽(Hz)；M为进制数，即信号状态数
• 香农(Shannon)信道容量公式
  • 有噪声信道的信道容量：$C=B·log_2(1+S/N)$
    • S/N为信噪比，即信号能量与噪声能量之比
    • S/N通常以分贝(dB)为单位描述，但计算需化为原来单位
      • $(S/N)_ {dB} = 10log_{10}(S/N)$

6.4 基带传输基础

• 基带信号：信源发出的原始电信号
  • 基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有直流成分
  • 比较适合在具有低通特性的有线信道中传输，通常不适合在无线信道中直接传输
• 基带传输：直接在信道中传送基带信号
• 基带传输系统：实现基带传输的系统

数字基带传输系统

• 定义：在信道中直接传输数字基带信号（如：以太网）

单极不归零码

• 易于产生，但不适合长距离传输

双极不归零码

单极归零码

• 占空比：码元不为0的时间占一个码元周期的百分比

双极归零码

差分码（相对码）

• 相邻脉冲有电平跳变表示1，无跳变表示0

AMI码（信号交替反转码）

• 信息码中的0编码为AMI传输码中的0（零电平）
• 信息码中的1交替编码为AMMI传输码中的+1（正脉冲）和-1（负脉冲）

双相码（曼彻斯特码）

• 每个比特持续时间短中间时刻要进行电平跳变
• 正电平跳到负电平表示1
• 负电平跳到正电平表示0
• 双相码在每个比特周期中间时刻都会有电平跳变，因此便于提取定时信息

差分双相码

• 每个比特周期的中间时刻也要进行电平跳变，但该跳变仅用于同步
• 利用每个比特开始处是否存在电平跳变编码信息
  • 开始处有跳变表示1
  • 无跳变表示0

nBmB

• 将n为二进制信息码作为一组，映射成m位二进制新码组，其中m>n
• 从$2^m$个码中优选出$2^n$个码作为有效码，从而获得良好的编码性能，其余码作为禁用码，可用于检错

6.5 频带传输基础

• 许多带通信（如无线信道）不具有低通特性，因此使用频带传输
• 利用基带信号去调制与对应信道传输特性相匹配的载波信号
• 数字调制：利用数字基带信号调制载波（利用数字基带信号控制（或影响）载波信号的某些特征参量）

数字调制系统

• 通常选择正弦波信号作为载波
  • $y(t)=acos(2\pi ft+\phi)$

二进制数字调制

二进制幅移键控（2ASK）

• $y(t)=s(t)cos(2\pi ft+\phi)$

二进制频移键控（2FSK）

• 选择两个不同频率的载波，$f_1$和$f_2$ \(y^{'}(t)=\begin{cases} cos(2\pi f_1t) & b_n=0 \\ cos(2\pi f_2t) & b_n=1 \end{cases}\)

二进制相移键控（2PSK）

• $y^{‘}(t)=cos(2\pi ft+\phi(b_n))$ \(\phi(b_n)=\begin{cases} \phi_0 & b_n=0 \\ \phi_0+\pi & b_n=1 \end{cases}\)

二进制差分相移键控（2DPSK）

• 利用相邻两个码元载波间的相对相位变化表示数字基带信号的数字信息
• $y^{‘}(t)=cos(2\pi ft+\phi_{n-1}+\Delta\phi(b_n)$ \(\Delta\phi(b_n)=\begin{cases} 0 & b_n=0 \\ \pi & b_n=1 \end{cases}\)

二进制数字调制性能

• 频带利用率
  • 2ASK、2PSK及2DPSK的频带利用率相同
  • 2FSK的频带利用率最低
• 误码率
  • 在相同信噪比下，2PSK的误码率最低，而2ASK的误码率最高
  • 抗噪声性能：2PSK > 2FSK > 2ASK
• 对信道特性的敏感性
  • 2ASK对信道特性变化比较敏感，性能最差
  • 2FSK与2PSK对信道特性变化不敏感

多进制数字调制

• 每个码元调制多个比特信息
• 比特率：数据传输速率$R_b$(bps)
• 波特率：码元传输速率$R_B$(Baus)
• $R_b=R_Blog_2M$（M为进制数）
• 多进制数字调制需要更大的信噪比，发送端需要增大发送信号的功率

正交幅值调制QAM

幅值相位联合键控(APK)

• $y^{‘}(t)=A_ncos(2\pi ft)+B_nsin(2\pi ft)$ \(\begin{cases} A_n=s_ncos(\phi_n)\\ B_n=-s_nsin(\phi_n) \end{cases}\)
• QAM信号是由两路相互正交载波经调制后叠加而成
• 两路载波信号的幅值分别被离散幅值序列{An}和{Bn}所调制，分别称为同相信号（I信号）和正交信号（Q信号）
• QAM星座图：QAM已调信号的矢量端点在I-Q平面上的分布
• 优点
  • 频带利用率高
  • 抗噪声能力强
  • 调制解调系统简单

扩频技术（Spread Spectrum）

• 在更宽泛的频带宽带上传播数据，使干扰和拦截更加困难

跳频技术（Frequency hoping）

• 在看似随机的频率序列上广播信号

直接序列扩频技术（Direct Sequence）

• 每个位由传输信号中的多个位表示
• chipping code

6.6 物理层接口规程

• DTE（数据终端设备）
  • 发送或接收数据（信源、信宿）
• DCE（数据通信设备）
  • 解决物理链路接口问题，与DTE连接
  • 调制解调器、网卡
• DCE交换数据和控制信息
  • 通过交换电路
  • 需要明确的接口标准
• 物理层接口特性
  • 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