2.1物理层的基本概念

 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

 物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异。

 用于物理层的协议也常称为物理层规程。

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性和过程特性。

 2.2数据通信的基础知识

2.2.1数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分：源系统（发送方或发送端）、传输系统（传输网路）和目的系统（接收端或接收方）。

源系统一般包括两个部分：

 源点：源点设备产生要传输的数据，源点又称源站或信源。

 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。

目的系统一般也包括以下两个部分：

 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。

 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出，终点设备又称目的站或信宿。

通信的目的是传送消息。

以下是一些常用术语：

  消息：话音、文字、图像、视频等都是消息。

  数据：数据是运送消息的实体，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。

  信号：数据的电气或电磁的表现。

  码元：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就是码元。

 信号的两种分类：

（1）模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。

（2）数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。

在使用二进制编码表示码元时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

2.2.2 有关信道的几个基本概念

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体，因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道。

 从信道的双方信息交互的方式来看，可分为三种基本方式：

（1）单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有限电广播就属于这种类型。

（2）双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送（接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过段时间后可以再反过来。

（3）双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条通道，而双向通信需要两条信道（每个方向各一条），显然，双向通信的传输效率更高。

  基带信号：来自信源的信号。

基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能直接传输这种低频分量或直流分量，因此就要对基带信号进行调制。

 调制分为两大类：

 基带调制： 一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使他能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这种过程人们称为编码。

 载波调制：需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就更好地在模拟信道中传输，这类调制后的信号称为带通信号。

 （1）常用的编码方式

  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，位周期中心的向下跳变代表1.但也可反过来定义。

  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，而位开始边界没有跳变代表1。

 （2）基本的带通调制方式

   调幅（AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。

   调频（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2.

   调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号变化而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

2.2.3 信道的极限容量

数字通信的优点就是：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出来原来的信号，那么这种失真对通信质量就可视为无影响。

 

限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：

（1）信道能够通过的频率范围：

（2）噪声比：信号的平均功率（S）和噪声的平均功率（N）之比，常记为S/N，以分贝（dB）作为基本单位。

2.3 物理层下面的传输媒体

物理媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据在传输系统中在发射器和接收器之间的物理通路。

 传输媒体可以分为两大类，即引导性传输媒体和非引导型传输媒体。 

2.3.1 引导性传输媒体

 双绞线

• 两根绝缘铜线互相缠绕为一对
• 电话线为1对双绞线，网线为4对双绞线，广泛用于计算机网络（以太网）双向传输
• 第5类：100 Mbps~1 Gbps；第6类：10Gbps
• 传输距离一般为为100米
• 

 绞合度越高的双绞线能够用越高的数据率传送数据。

 

   同轴电缆

• 两根同心铜导线，双向传输
• 电缆上的多个频率通道
• 带宽可达100Mbps
• 传输距离一般为200米
• 

   光缆

• 高速运行
  高速点对点传输（10-100 Gbps）
• 低错误率
  中继器相距很远，对电磁噪声免疫 

 

2.3.2 非引导性传输媒体

无线电

• 电磁频谱中各种“波段”携带的信号
• 没有物理“电线”
• 不依赖介质的广播
• 半双工（发送方到接收方）

无线链路类型

• 无线局域网（WiFi）
  10-100 Mbps；10米
• 广域（如3/4/5G蜂窝）
  在~10公里范围内
• 蓝牙：短距离，有限速率
• 地面微波：点对点；45 Mbps
• 同步卫星：36000km高空， 280毫秒的往返时延
• 低轨卫星：近地，但围绕地球高速运动，需要大量卫星才能覆盖地球

多条路径的信号叠加后一般都会产生很大的失真，这就是所谓的多径效应。

 微波接力：为实现远距离通信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。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站。

‌微波接力通信系统的主要特点包括以下几个方面‌：

1. ‌通信容量大‌：微波接力通信系统使用频率为1000MHz到30000MHz的电磁波，频段范围宽，因此通信信道的容量很大‌1。

2. ‌传输质量高‌：由于工业干扰和噪声干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害较小，因此微波传输质量较高‌2。

3. ‌外界电磁干扰小‌：微波接力通信系统不受天电和工业干扰以及太阳黑子变化的影响，通信的可靠性较高‌1。

4. ‌电波传播稳定‌：微波接力通信系统在电波传播方面具有较高的稳定性，适合远距离通信‌1。

5. ‌成本较低‌：相比其他通信方式，如光纤通信和卫星通信，微波接力通信的建设成本较低，建设速度更快，适用于长距离、低数据流量、实时性要求较高的通信需求‌3。

6. ‌应用场景广泛‌：微波接力通信系统适用于各种使用场景，特别是在灾害应急通信等领域，能够在光纤和卫星通信设备损坏时快速恢复通信，保证信息传递的及时性和可靠性‌3。

7. ‌技术发展历程‌：微波接力通信系统自20世纪50年代开始发展，经历了从小容量到大容量的演变过程。随着通信网的逐步数字化，数字微波接力通信系统也开始迅速发展并获得广泛的应用‌

 ‌     微波接力通信的主要缺点包括‌：

1. ‌视距传播限制‌：微波接力通信要求相邻站之间必须直视，不能有障碍物。如果信号传播路径上有障碍物，如高山、建筑物等，会导致信号衰减或中断‌12。

2. ‌气候影响‌：恶劣的天气条件，如雨、雪、雾等，会对微波信号的传播造成干扰，影响通信质量‌12。

3. ‌隐蔽性和保密性差‌：与电缆通信系统相比，微波通信的隐蔽性和保密性较差，容易被截获或干扰‌12。

4. ‌中继站维护成本高‌：大量中继站的使用和维护需要耗费大量的人力和物力，增加了运营成本‌12。

5. ‌信号失真‌：有时一个天线发射出的信号会分成几条略有差别的路径到达接收天线，造成信号失真‌13。

6. ‌频带利用率低‌：微波接力通信系统占用频带较宽，但频带利用率不高，这限制了其在实际应用中的效率‌。

2.4 信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。
它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

2.4.1  频分复用、时分复用、统计时分复用

频分复用（FDM）：

• 将整个带宽分为多份，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）。

频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用（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。

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。

频分复用和时分复用的优点是技术比较成熟，缺点是不够灵活，时分复用更有利于数字信号的传输。 

统计时分复用（STDM）：

使用 STDM 帧 来传输数据，每一个 STDM 帧的时隙数 小于 连接在集中器上的用户数，各用户有了数据就随时发往 集中器的输入缓存，然后集中器按照 一定顺序 依次扫描用户是否输入，把缓存中的输入数据放到 STDM 帧中，没有数据的缓存就跳过去，当一个帧的数据放满了才发送出去。

 

2.4.2 波分复用（WDM）：

波分复用WDM就是光的频分复用。

 起初，人们只能在一根光纤上复用两路光载信号，这就是波分复用WDM，随着技术的发展，现在已经可以在一根光纤上复用几十路光载波信号，即为密集波分复用DWDM。

 

2.4.3  码分复用（CDM）：

码分复用：各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。 

 当码分复用信道为多个不同地址的用户所共享时，称为码分多址CDMA，