第六章：物理層

一、數(shù)據(jù)通信基礎

（一）數(shù)據(jù)通信基本概念

消息：人類能夠感知的描述。

信息：消息中所包含的有意義的內(nèi)容。

通信：在一點精確或近似地再生另一點的信息。

通信系統(tǒng)：能夠實現(xiàn)通信功能的各種技術、設備和方法的總體。

信號：在通信系統(tǒng)中，信息在傳輸通道中傳播的載體（電磁波、電流信號）。

信道分為狹義和廣義，狹義：信號的傳輸介質。廣義：不僅是傳輸介質，而且包括通信系統(tǒng)的一些轉化裝置。

（二）數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)模型

數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的構成：任何一種通信系統(tǒng)的核心都應該包括信源、發(fā)送設備、信道、接收設備、信宿和噪聲源等部分。

（1）信源：將消息轉換為信號的設備，如電話機、攝像機、計算機等。

（2）發(fā)送設備：將信源產(chǎn)生的信號進行適當?shù)淖儞Q的裝置，使之適合于在信道中傳輸。變換的方式主要包括編碼和調制。

（3）信道：信號傳輸?shù)拿浇?，總體上可以分為有線信道和無線信道兩大類，具體的類型包括雙絞線、同軸電纜、光纖、大氣層、外層空間等。

（4）接收設備：完成發(fā)送設備的反變換，即進行譯碼和解調，還原原始的發(fā)送信號。

（5）信宿：信號的終點，并將信號轉換為供人們能識別的消息。

（6）噪聲源：自然界和通信設備中所固有的，對通信信道產(chǎn)生干擾和影響的各種信號。噪聲對通信系統(tǒng)是有害的，但又無法完全避免。

模擬通信和數(shù)字通信：

模擬信號的自變量：可以連續(xù)的，可以離散的。因變量：一定連續(xù)的。

數(shù)字信號的自變量：離散的。因變量：離散的。

數(shù)據(jù)通信方式：

（1）按數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较?，可分為單工通信、半雙工通信和全雙工通信。

（2）按二進制數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r空順序分為并行通信和串行通信。

（3）按發(fā)送和接方對數(shù)據(jù)保持步調一致的措施分為異步通信和同步通信。

異步通信：發(fā)送字符，不需要建立同步時鐘，實現(xiàn)簡單，適用低速網(wǎng)絡。

同步技術：發(fā)送數(shù)據(jù)塊，雙方建立同步時鐘，實現(xiàn)復雜，適用高速網(wǎng)絡。

二、物理介質

（一）導引型傳輸介質（有線信道）

應用：包括架空明線、雙絞線、同軸電纜、光纖等。雙絞線分為屏蔽雙絞線（STP）和非屏蔽雙絞線（UTP）。

優(yōu)點：我們重點介紹下光纖與其他傳輸介質相比擁有的優(yōu)點，

（1）光纖通信容量非常大，最高可達100Gbit/s。

（2）傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經(jīng)濟。

（3）抗雷電和電磁千擾性能好。

（4）無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。

（5）體積小，重量輕。

（二）非導引型傳輸介質

根據(jù)電磁波頻率、通信距離與位置不同，電磁波的傳播可分為：地波傳播（2MHZ以下）、天波傳播（2~30MHZ）和視線傳播（30MHZ以上）。

三、信道與信道容量

（一）信道

定義：信道是通信系統(tǒng)中連接發(fā)送端與接收端的通信設備，實現(xiàn)從發(fā)送端到接收端的信號傳送。信道的定義區(qū)分為廣義信道和狹義信道。狹義信道即信號傳輸介質，廣義信道包括信號傳輸介質和通信系統(tǒng)的一些變換裝置。

廣義信道按照功能劃分：調制信道和編碼信道。

（1）調制信道：指信號從調制器的輸出端到解調器的輸入端經(jīng)過的部分。

（2）編碼信道：指數(shù)字信號由編碼器輸出端到譯碼器輸入端經(jīng)過的部分，包括所有變換裝置與傳輸介質。

狹義信道可以分為有線信道和無線信道兩大類。

（1）有線信道包括架空明線、雙絞線電纜、同軸電纜、光纖等。

（2）無線信道利用電磁波在空間的傳播來傳輸信號，包括視線傳播、地波傳播與天波傳播等。

（二）信道傳輸特性

不同類型的信道對信號的影響差異較大：

隨機參數(shù)信道（隨參信道）：信號通過信道發(fā)生畸變是時變的。

恒定參數(shù)信道（恒參信道）：信號通過信道發(fā)生畸變是恒定的。

隨機信道傳輸特性：大部分無線信道（依靠地波和天波傳播的無線電信道）

（1）信號的傳輸衰減隨時間隨機變化。

（2）信號的傳輸時延隨時間隨機變化。

（3）存在多徑傳播現(xiàn)象。

恒參信道傳輸特性：各種有線信道和部分無線信道（微波視線傳播鏈路）

（1）對信號幅值產(chǎn)生固定的衰減。

（2）對信號輸出產(chǎn)生固定的時延。

（三）信道容量

定義：指信道無差錯傳輸信息的最大平均信息速率。表征一個信道傳輸數(shù)據(jù)的能力。

（1）信道的帶寬是指能夠有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度用碼元速率（或符號速率）描述，單位是Baud。

（2）傳輸速率是信道單位時間內(nèi)傳輸?shù)拇a元（或符號）或信息的能力用傳信率（或信息速率）來描述，單位是bit/s。

連續(xù)信道容量（調制信道）

奈奎斯特公式：理想無噪聲（沒有噪聲的干擾）信道的信道容量為

香農(nóng)公式：現(xiàn)實中理想無噪聲信道幾乎是不存在的，這時信道的信道容量為

其中C為信道容量單位是bit/s。B為帶寬單位是Hz，S為輸入信號功率，N為高斯白噪聲的功率，S/N為信噪比是信號功率與噪聲功率的比單位為分貝（dB）。

四、基帶傳輸

（一）基帶傳輸基本概念

在信道中直接傳輸數(shù)字基帶信號，則稱為數(shù)字基帶傳輸，相應的系統(tǒng)稱為數(shù)字基帶傳輸系統(tǒng)。

基帶信號：可分為模擬基帶信號和數(shù)字基帶信號。

基帶傳輸：直接在信道傳送基帶信號。

數(shù)字基帶傳輸：在信道中傳輸數(shù)字基帶信號。

（二）數(shù)字基帶傳輸編碼（我們定義0為低電平，1為高電平）

正電平：+E、零電平：0、負電平：-E

單級不歸零碼（NRZ）該碼中，0為零電平，1為正電平。“單級”是指該碼只有一個極性（正極），“不歸零”表示整個脈沖持續(xù)期間電平信號不會中途降為零電平。

雙極不歸零碼該碼中，0為負電平，1為正電平。

單極歸零碼（RZ）該碼中，0為零電平，1為正電平?！皻w零”表示在脈沖持續(xù)的中間時刻電平信號會中途降為零電平。

雙極歸零碼該碼中0為負電平，1為正電平?！皻w零”表示在脈沖持續(xù)的中間時刻電平信號會中途降為零電平。

差分碼該碼中，若相鄰脈沖有電平跳變則表示為1，無跳變則表示為0。跳變指電平出現(xiàn)相反變化。也可理解為保持波形即為0，改變波形即為1。

AMI碼（信號交替反轉碼）該碼中，0為零電平，1交替表示正電平和負電平，且“歸零”。

雙相碼（曼徹斯特碼）該碼中，正（高）電平跳到負（低）電平表示1，負電平跳到正電平表示0，每個中間時刻都進行跳變。

差分雙相碼（差分曼徹斯特碼）該碼中，每個中間時刻都進行跳變，若本次周期開始時與上次周期結束時的電平信號相同則本次周期內(nèi)表示為0，否則表示為1。

五、頻帶傳輸

（一）頻帶傳輸?shù)幕靖拍?/p>

數(shù)字調制︰利用數(shù)字基帶信號控制載波信號的特征參量，使載波信號的這些參量的變化反映數(shù)字基帶信號的信息，進而將數(shù)字基帶信號變換為數(shù)字通帶信號的過程。

數(shù)字解調︰在接收數(shù)據(jù)端需要將調制到載波信號中的數(shù)字基帶信號卸載下來，還原為數(shù)字基帶信號的過程。

頻帶傳輸系統(tǒng)基本結構：通常將實現(xiàn)調制、傳輸與解調的傳輸系統(tǒng)稱為數(shù)字頻帶傳輸系統(tǒng)。

（二）數(shù)字調制的基本方法

利用數(shù)字基帶信號控制載波信號的某個(或某些)參數(shù)的變化。(利用O或1控制載波的幅值、頻率或相位。)

幅移鍵控(ASK)∶調制載波的幅值。

頻移鍵控(FSK)︰調制載波的頻率。

相移鍵控(PSK)∶調制載波的相位。

（三）頻帶傳輸中三種調制方式

二進制數(shù)字調制、多進制數(shù)字調制、正交幅值調制（QAM）。

六、物理層接口規(guī)程

（一）主要任務

（1）在傳輸介質上實現(xiàn)無結構比特流的傳輸。

（2）規(guī)定數(shù)據(jù)終端設備（DTE）和數(shù)據(jù)通信設備（DCE）之間接口的相關特性。

DTE：數(shù)據(jù)終端設備，如計算機；

DCE：數(shù)據(jù)電路端接設備，如調制解調器。

物理層接口規(guī)范主要是對DTE設備與DCE設備之間的接口的定義。典型的物理層接口協(xié)議有IRDA物理層、USB物理層等。

（二）物理層接口特性

機械特性：指明通信實體間硬件連接接口的機械特點。

電氣特性：規(guī)定了在物理連接上，導線的電氣連接及有關電路的特性。

功能特性：指明物理接口各條信號線的用途。

規(guī)程特性：指明利用接口傳輸比特流的全過程，以及各項用于傳輸?shù)氖录l(fā)送的合法順序。