远方的岛第六章 物理层
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6.1 物理层基本功能
在连接结点的物理介质上实现比特流传输
比特编码、数据率、比特同步、接口特性（机械特性、电气特性、功能特性、规程特性；时钟同步）、传输模式（单工、半双工、全双工）
物理层接口
数据终端设备（DTE）：数据处理、信源或信宿
数据电路终结设备（DCE）：在DTE和传输线路之间提供信号变换和编码功能（如调制解调器Modem、网络接口卡NIC），在物理介质上传输比特，与DTE之间交换数据和控制信息
物理层协议需要约定DTE和DCE间、DCE与物理介质间的接口特性
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范围等电路特性。
- 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。
6.2 数据通信基础
发送器（transmitter，通常简记为Tx）与接收器（receiver，通常简记为Rx）之间的时钟同步问题
- 异步通信
每次传输一个字符
发送器和接收器分别使用各自独立的时钟
只需在每个字符传输期间保证时钟同步
两个字符之间时钟不必同步
每个字符传输开始重新同步时钟
字符之间间隔时间不一致，空闲状态下，接收器检测1到0的跳变，然后开始采样（一个字符长度），回归空闲状态，然后再次检测1到0的跳变
简单、低成本，但开销大，每个字符有2或3位开销
适合短距离、低速率、字符间间隔时间大(如键盘)等通信场景
- 同步通信
（大）数据块传输
时钟必须同步
可以使用单独的时钟线（适合短距离、时钟信号损伤）
将时钟信号嵌入到数据信号中（曼彻斯特编码、载波频率）
比异步通信更高效（开销少）
如果信源产生的是模拟数据，如何在数字通信系统中传输？
——信源编码
扩频：将数据的传输（调制）扩展到更宽的频带上，制造干扰使通信不易被窃听
跳频：载波信号频率在一组频率上随机（某种规律）跳变
直接序列扩频：通过传输多个比特表示原始信息的1个比特，碎码序列
6.3 物理介质
导引型传输介质
架空明线：易受天气和外界电磁干扰，对外界噪声敏感，带宽有限
双绞线：主要用于基带传输（屏蔽双绞线 STP、非屏蔽双绞线 UTP）
同轴电缆：主要用于频带传输
光纤：基本原理是光的全反射（多模光纤、单模光纤）
非导引型传输介质
自由空间：无线电传播途径，不同频段具有不同传播特性
地波传播：频率较低（大约2 MHz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，距离地表约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，随参信道
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，沿地面绕射能力也很弱，通常采用视线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
6.4 信道与信道容量
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
恒参信道传输特性
- 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，都属于恒参信道
- 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
随参信道传输特性
- 许多无线信道都是随参信道
- 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
奈奎斯特信道容量公式
香农信道容量公式
6.5 信道共享-多路复用
多路复用：链路/网络资源（如带宽）划分为“资源片”
将资源片分配给各路“呼叫”，每路呼叫独占分配到的资源片进行通信，资源片可能“闲置”（无共享）
频分多路复用 FDM
频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽（单位：Hz）而不是数据的发送速率）
用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带
时分多路复用 TDM
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧），每个用户在每个 TDM 帧中占用固定序号的时隙
每用户所占用的时隙是周期性出现（其周期就是 TDM 帧的长度）
时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度
波分多路复用 WDM
波分复用就是光的频分复用
码分多路复用 CDM
广泛应用于无线链路共享（如蜂窝网,卫星通信等）
每个用户分配一个唯一的m bit码片序列，其中“0”用“-1”表示、“1”用“+1”表示
各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据
编码信号 = (原始数据) × (码片序列)
- 如发送比特 1（+1），则发送自己的 m bit 码片序列
- 如发送比特 0（-1），则发送该码片序列的m bit 码片序列的反码
解码：码片序列与编码信号的内积
课堂练习
6.6 基带传输基础
信源发出的原始电信号是基带信号
- 模拟信源→模拟基带信号
- 数字信源→数字基带信号
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分
直接在信道中传送基带信号称为基带传输
实现基带传输的系统称为基带传输系统
在信道中直接传输数字基带信号，称为数字基带传输，相应的系统称为数字基带传输系统
单极不归零码（Not Return to Zero, NRZ）
这种码型易于产生，但不适合长距离传输
双极不归零码
单极归零码（Return to Zero, RZ）
码元不为零的时间占一个码元周期的百分比称为占空比
双极归零码
差分码/相对码
例如：相邻脉冲有电平跳变表示1，无跳变表示0
信号交替反转码（Alternative Mark Inversion, AMI）
信息码中的0编码为AMI传输码中的0（零电平）
信号码中的1交替编码为AMI传输码中的+1（正脉冲）和-1（负脉冲）
双相码/曼彻斯特码
双相码/曼彻斯特码
双相码只有正、负两种电平，每个比特持续时间的中间时刻要进行电平跳变
正（高）电平跳到负（低）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
双相码利用了两个脉冲编码信息码中的一个比特，相当于双极码中的两个比特
10Mbps的以太网采用曼彻斯特码
差分双相码/差分曼彻斯特码
差分双相码的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：有跳变表示0，无跳变表示1
IEEE806.5令牌环网采用差分曼彻斯特码
nBmB
6.7 频带传输基础
- 基带信号具有低通特性，可以在具有低通特性的信道中进行传输
- 许多带通信道（如无线信道）不具有低通特性，因此不能在这些信道中直接传输基带信号
- 只能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
- 通过在信道中传送经过调制的载波信号实现将基带信号所携带信息传送出去
- 利用模拟基带信号调制载波，称为模拟调制，利用数字基带信号调制载波，称为数字调制
- 数字调制就是利用数字基带信号控制（或影响）载波信号的某些特征参量
二进制数字调制
二进制幅移键控（2ASK）
利用载波幅度的变化来传送数字信息
二进制频移键控（2FSK）
利用载波频率的变化来传送数字信息
在二进制数字调制中，常见的是二进制 0 和 1 对应不同的频率
二进制相移键控（2PSK）
利用载波振荡相位的变化来传送数字信息
二进制差分相移键控（2DPSK）
用前后码元的相对载波相位值传送数字信息
多进制数字调制
正交幅值调制 QAM
6.8 物理层设备
设备 | 冲突域数量 | 广播域数量（子网数量） | 是否隔离冲突 | 是否隔离广播/子网 | 所属层次 |
集线器（Hub） | 1（所有端口共用） | 1 | ❌ 不隔离 | ❌ 不隔离 | 物理层（第1层） |
交换机（Switch） | 每个端口一个 | 1（除非配置 VLAN） | ✅ 隔离冲突 | ❌ 不隔离（同一广播域） | 数据链路层（第2层） |
路由器（Router） | 每个接口一个 | 每个接口一个（每个子网独立） | ✅ 隔离冲突 | ✅ 隔离广播/子网 | 网络层（第3层） |
只要两台设备都接在同一个集线器（Hub）上，那么任何一台主机发送或接收的所有以太网帧，另一台都可以看到。
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