引言

本章最重要的内容是讨论物理层的任务、常见信道复用技术与常见宽带接入技术。物理层考虑的是怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,物理层的作用在于尽可能屏蔽掉计算机网络中传输媒体和通信手段的差异,使物理层上方的数据链路层感受不到这些具体差异。我们也知道,数据在计算机内部一般是并行传输,但出于经济上的考虑,数据在总线中选择了串行传输。这种传输方式的转换也是通过物理层实现的。

数据通信基础知识

一个数据通信系统可以划分为三部分:源系统(或发送端、发送方)、传输系统和目的系统

  • 源系统:可以分为两部分

    • 源点(source):源点设备产生要传输的数据,例如从计算机键盘输入汉字,计算机产生输出的数字比特流。
    • 发送器:对源点生成的数字比特流进行编码,使之可以在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。
  • 目的系统:分为两部分

    • 接收器:接收并转换传输系统传过来的信号,使之能够被目的设备处理。典型的接收器是解调器(将传输线路上的模拟信号解调为数字比特流)
    • 终点:终点设备从接收器获取传送来的数字比特流并将之输出。
  • 传输系统:可以是简单的传输线,也可以是一个复杂的网络系统。
    在通信过程中,从通信双方的信息交互方式来看,可以有以下几种方式:

  • 单向通信(单工通信):只能由一个方向的通信而没有反方向的交互。例如无线网广播、有线网广播、电视广播。

  • 双向交替通信(半双工通信):通信双方都可以发送消息,但不能同时发送和同时接收。

  • 双向同时通信(全双工通信):双方能同时发送和接收消息。
    单向通信只有一条信道,双向通信需要两个信道。
    来自信源的信号称为基带信号,基带信号往往带有很多不能被信道传输的低频成分,为了解决这个问题,需要对基带信号进行调制。调制分为两类,其一是只对信源的信号进行波形转换,转换后仍然是基带信号,这属于基带调制;另一类是通过载波把基带信号到较高频率的频段,同时转换为模拟信号,经过载波调制后的信号称为带通信号,这种调制方式称为带通调制
    (1)常用编码方式

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    • 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,位周期向下跳变代表1(注意: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,反之为1

    观察到:①曼彻斯特编码产生信号频率比不归零制高②从同步能力上看,不归零制不能从信号波形本身提取信号时钟频率(没有自同步能力),曼彻斯特编码有自同步能力.

    (2)基本带通调制方法

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    • 调幅:载波的振幅随数字信号变化
    • 调频:载波的频率随基带数字信号变化
    • 调相:载波的初始相位随基带数字信号而变化

    通过多元的振幅相位混合调制可以提高信息传输速率,比如正交振幅调制

正交幅度调制( QAM ):举例如下

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  • 可供选择的相位有 12 种,而对于每一种相位有 1 或2 种振幅可供选择。
  • 由于4 bit 编码共有16 种不同的组合,因此这 16 个点中的每个点可对应于一种 4 bit 的编码。
  • 若每一个码元可表示的比特数越多,则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难。
  • 信道极限容量
    • 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。
    • 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。

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限制码元在信道上传输速率的两个因素:

①信道能够通过的频率范围

在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,否则就会出现码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。奈氏准则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。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

香农用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道极限信息传输速率 $C = W·log_2(1+S/N) \ \ b/s $

W 为信道的带宽(Hz为单位);S 为信道内信号的平均功率;N 为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明 :

  • 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。
  • 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率,就一定可以找到实现无差错传输的办法。
  • 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限(当然实际信道不可能是这样的),则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
  • 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。

注意:对于频带宽度已确定的信道,如果信噪比不能再提高了,并且码元传输速率也达到了上限值,那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

物理层下面的传输媒体

电信领域使用的电磁波的频谱如下

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导向传输媒体

  • 双绞线

    • 屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
    • 无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
  • 同轴电缆

    • 50 W 同轴电缆
    • 75 W 同轴电缆

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  • 光缆

光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲进行通信,有光脉冲对应1,反之为0.光纤在光纤中进行折射的示意图如下

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光纤的工作原理在于光纤在纤芯中是全反射的,如下图所示

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既然从纤芯中射到纤芯表面的光纤的入射角大于临界角即可全反射,那么久可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输,这就称为多模光纤。若光纤的直径减小到一个光的波长,那么光就会在其中一直向前传播,称为单模光纤

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非导向传输媒体——自由空间

  • 无线传输所使用的频段很广。

  • 短波通信主要是靠电离层的反射,但短波信道的通信质量较差。(是由于电离层的不稳定产生的衰落现象与电离层反射导致的)

  • 微波在空间主要是直线传播,但传播距离不足,长距离传输需要中继。

    • 地面微波接力通信
    • 卫星通信

    微波接力通信的特点:频率高、频段范围宽、通信信道容量大、传输质量高,当然也有缺点:相邻站之间必须直视且没有障碍、有时一个天线发出的信号会分几条有差别的路径到达接收天线造成失真、隐蔽性与保密性差。

    卫星通信是一种使用卫星作为中继器的微波通信,所以主要优缺点与微波通信相似。卫星通信的另一特点是传播时延较大。

信道复用技术

频分复用、时分复用和统计时分复用

复用器、分用器成对使用。

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  • 频分复用
    • 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。
    • 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源(请注意,这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率)。
  • 时分复用
    • 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)。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
    • 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是 TDM 帧的长度)。
    • TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
    • 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。
    • 更有利于数字信号传输

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时分复用可能会造成线路资源的浪费:使用时分复用系统传送计算机数据时,由于计算机数据的突发性质,用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。
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为此,我们利用集中器提出了统计时分复用STDM(Statistic TDM) 。
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注意:TDM帧和STDM帧都是在物理层中传送的比特流中所划分的帧,这与数据链路层中的“帧”概念不同。

波分复用

波分复用就是光的频分复用。

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码分复用

  • 常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
  • 各用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此彼此不会造成干扰。
  • 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,不易被敌人发现。
  • 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔,称为码片(chip)。
  • 码片序列(chip sequence)
    • 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
      • 如发送比特 1,则发送自己的 m bit 码片序列。
      • 如发送比特 0,则发送该码片序列的二进制反码。
    • 例如,S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
      • 发送比特 1 时,就发送序列 00011011,
      • 发送比特 0 时,就发送序列 11100100。
    • S 站的码片序列:(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
  • CDMA的重要特点
    • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同,并且还必须互相正交(orthogonal)。
    • 在实用的系统中是使用伪随机码序列。
  • 码片序列的正交关系
    • 令向量 S 表示站 S 的码片向量,令 T 表示其他任何站的码片向量。
    • 两个不同站的码片序列正交,就是向量 ST 的规格化内积都是 0:$\mathbf{S} \bullet \mathbf{T} \equiv \frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} T_{i}=0$
    • 例如令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1),向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。 把向量 ST 的各分量值代入上式就可看出这两个码片序列是正交的。
    • 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1 ,一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。 $\mathbf{S} \bullet \mathbf{S}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i} S_{i}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m} S_{i}^{2}=\frac{1}{m} \sum_{i=1}^{m}( \pm 1)^{2}=1$
  • CDMA的工作原理

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数字传输系统

  • 脉码调制 PCM 体制

    • 脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
    • 由于历史上的原因,PCM 有两个互不兼容的国际标准,即北美的 24 路 PCM(简称为 T1)和欧洲的 30 路 PCM(简称为 E1)。我国采用的是欧洲的 E1 标准。
    • 当需要有更高的数据率时,可采用复用的方法。
  • 同步光纤网 SONET 和同步数字系列 SDH

    • 旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两个方面:
    • 速率标准不统一。
      • 如果不对高次群的数字传输速率进行标准化,国际范围的高速数据传输就很难实现。
    • 不是同步传输。
      • 在过去相当长的时间,为了节约经费,各国的数字网主要是采用准同步方式。
  • 同步光纤网 SONET

    • 同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network) 的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。
    • 第 1 级同步传送信号 STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是 51.84 Mb/s。
    • 光信号则称为第 1 级光载波 OC-1,OC 表示Optical Carrier。
    • SONET体系结构
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    • SONET标准定义了四个光接口层
      • 光子层(Photonic Layer)处理跨越光缆的比特传送。
      • 段层(Section Layer)在光缆上传送 STS-N 帧。
      • 线路层(Line Layer)负责路径层的同步和复用。
      • 路径层(Path Layer) 处理路径端接设备 PTE (Path Terminating Element)之间的业务的传输。
  • 同步数字系列 SDH

    • ITU-T 以美国标准 SONET 为基础,制订出国际标准同步数字系列 SDH (Synchronous Digital Hierarchy)
    • 一般可认为 SDH 与 SONET 是同义词。
    • SDH 的基本速率为 155.52 Mb/s,称为第 1 级同步传递模块 (Synchronous Transfer Module),即 STM-1,相当于 SONET 体系中的 OC-3 速率。

宽带接入技术

xDSL技术

  • xDSL 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带业务。
  • 虽然标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 kHz 的范围内,但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz。
  • xDSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用,而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
  • DSL 就是数字用户线(Digital Subscriber Line)的缩写。而 DSL 的前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。
  • xDSL 的几种类型
    • ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line):非对称数字用户线
    • HDSL (High speed DSL):高速数字用户线
    • SDSL (Single-line DSL):1 对线的数字用户线
    • VDSL (Very high speed DSL):甚高速数字用户线
    • DSL :ISDN 用户线。
    • RADSL (Rate-Adaptive DSL):速率自适应 DSL,是 ADSL 的一个子集,可自动调节线路速率)。
  • ADSL的极限传输距离
    • ADSL 的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系(用户线越细,信号传输时的衰减就越大),而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。
    • 例如,0.5 毫米线径的用户线,传输速率为 1.5 ~ 2.0 Mb/s 时可传送 5.5 公里,但当传输速率提高到 6.1 Mb/s 时,传输距离就缩短为 3.7 公里。
    • 如果把用户线的线径减小到0.4毫米,那么在6.1 Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里
  • ADSL的特点
    • 上行和下行带宽做成不对称的。
    • 上行指从用户到 ISP,而下行指从 ISP 到用户。
    • ADSL 在用户线(铜线)的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
    • 我国目前采用的方案是离散多音调 DMT (Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。
  • DMT技术
    • DMT 调制技术采用频分复用的方法,把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端频谱划分为许多的子信道,其中 25 个子信道用于上行信道,而 249 个子信道用于下行信道。
    • 每个子信道占据 4 kHz 带宽(严格讲是 4.3125 kHz),并使用不同的载波(即不同的音调)进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
    • DMT技术的频谱分布
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    • ADSL的数据率
      • 由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同),因此 ADSL 采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。
      • 当 ADSL 启动时,用户线两端的 ADSL 调制解调器就测试可用的频率、各子信道受到的干扰情况,以及在每一个频率上测试信号的传输质量。
      • ADSL 不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通 ADSL。
      • 通常下行数据率在 32 kb/s 到 6.4 Mb/s 之间,而上行数据率在 32 kb/s 到 640 kb/s 之间。
    • ADSL的组成
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      • 数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)
      • 接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)
      • ATU-C(C 代表端局 Central Office)
      • ATU-R(R 代表远端 Remote)
      • 电话分离器 PS (POTS Splitter)
    • 第二代 ADSL ——ADSL2(G.992.3 和 G.992.4)、 ADSL2+(G.992.5)
      • 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如,ADSL2 要求至少应支持下行 8 Mb/s、上行 800 kb/s的速率。而 ADSL2+ 则将频谱范围从 1.1 MHz 扩展至2.2 MHz,下行速率可达 16 Mb/s(最大传输速率可达25 Mb/s),而上行速率可达 800 kb/s。
      • 采用了无缝速率自适应技术 SRA (Seamless Rate Adaptation),可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下,自适应地调整数据率。
      • 改善了线路质量评测和故障定位功能,这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。

光纤同轴混合网HFC (Hybrid Fiber Coax)

  • HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。
  • HFC 网除可传送 CATV 外,还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。
  • 现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络,它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造,
  • 主要特点:
    • HFC网的主干线路采用光纤
      • HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤,并使用模拟光纤技术。
      • 在模拟光纤中采用光的振幅调制 AM,这比使用数字光纤更为经济。
      • 模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node),即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
    • HFC网采用结点体系结构
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    • HFC网具有比 CATV 网更宽的频谱,且具有双向传输功能
    • 每个家庭要安装一个用户接口盒
      • 用户接口盒 UIB (User Interface Box)要提供三种连接,即:
        • 使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box),然后再连接到用户的电视机。
        • 使用双绞线连接到用户的电话机。
        • 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。
  • 电缆调制解调器(cable modem)
    • 电缆调制解调器是为 HFC 网而使用的调制解调器。
    • 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在 310 Mb/s之间,最高可达 30 Mb/s,而上行速率一般为 0.22 Mb/s,最高可达 10 Mb/s。
    • 电缆调制解调器比在普通电话线上使用的调制解调器要复杂得多,并且不是成对使用,而是只安装在用户端。
  • HFC网的最大优点
    • 具有很宽的频带,并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。
    • 要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网(还要将所有的用户服务区互连起来而不是一个个 HFC 网的孤岛),也需要相当的资金和时间。
    • 在电信政策方面也有一些需要协调解决的问题。

FTTx 技术

  • FTTx(光纤到……)也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思。
  • 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home):光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
  • 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building):光纤进入大楼后就转换为电信号,然后用电缆或双绞线分配到各用户。
  • 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb):从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。