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物理层

物理层概述

OSI 定义与核心功能

本质上就是：屏蔽传输媒体的差异，为上层提供统一接口。

物理层的功能是在物理介质上传输数据比特流，定义信号在信道上发送所需的机械、电气、时序和接口特性。

提供的服务：

  • 发送和接收比特流的能力（连接的建立、维持和释放）
  • 在两个相邻通信结点之间唯一地标识数据电路

关键特性

特性说明
机械特性接线器的形状、尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置
电气特性接口电缆各条线上出现的电压范围
功能特性某条线上某一电平电压的意义
过程特性不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信基础

数据通信系统模型

信源 → [发送器] → 信道(含噪声) → [接收器] → 信宿

三大部分：

  • 源系统：产生要传输的数据
  • 传输系统：传输线路或网络
  • 目的系统：接收并处理数据

核心术语

术语定义
数据(data)运送消息的实体（比特序列）
信号(signal)数据的电气或电磁表现
模拟信号代表消息的参数取值连续
数字信号代表消息的参数取值离散
码元(code)/符号一个周期脉冲信号，可以利用它的不同状态（振幅）代表多个比特
信道向某一个方向传送信息的媒体

主要性能参数

参数符号说明
信号功率SS-
信道带宽BB与收发设备及传输介质特性有关，此处指时域带宽
噪声功率NN通信线路上的平均噪声功率
信噪比SNR=S/NSNR = S/N 或 SNRdB=10log⁡10(S/N)SNR_{dB} = 10\log_{10}(S/N)10dB=10倍，20dB=100倍，3dB=2倍
数据率/链路速率CC 或 vsendv_{\text{send}}单位时间传输的比特数
波特率/码元速率vcode×bitcode=Cv_{\text{code}} \times bit_{\text{code}} = C单位时间传输的码元数
误码率-数据传输的错误概率

通信方式分类

方式英文名特点
单工通信Simplex只能单向传输，无反方向交互
半双工通信Half-duplex双方可发送，但不能同时发送/接收
全双工通信Full-duplex双方可同时发送和接收

通信理论基础

离散时间傅里叶变换

本质上是进行数字脉冲信号（离散、时域）和模拟物理信号（连续、频域）之间的转换。

周期为 TT 的信号 g(t)g(t) 可表示为基频 f=1Tf=\frac{1}{T} 的若干次谐波分量叠加，并且叠加次数越多拟合越精确。从而：

  • fbase×Nharmpnocs=Bf_{base} \times N_{harmpnocs} = \text{B}，其中 ff 为基频，NN 为谐波数（拟合用的波数），B\text{B} 为时域带宽。
  • fbase×log⁡2V=Cf_{base} \times \log_2{V} = \text{C}，其中 ff 为基频，VV 为信号电平数（状态种类），C\text{C} 为数据率。
  • 信道带宽越宽，可通过的谐波数量越多，信号保真度越好，数据率越高。
  • 数据率越大（谐波数越少）/信号传输距离越远/传输媒体质量越差，信号失真越严重。

奈奎斯特定理

理想无噪声信道下的最大数据率：

C=2Blog⁡2VC = 2B \log_2 V
  • B：信道带宽
  • V：信号状态数
  • 波特率/码元速率 = 2B

注：

  • 奈氏准则没有限制码元传输的比特数。
  • 码元传输速率有上限，否则出现码间串扰。采样率需为信号最高频率的2倍才能重构原信号。

香农定理

有噪声信道的极限信息传输速率：

C=Blog⁡2(1+SNR)C = B \log_2(1 + SNR)

注：

  • 带宽 BB 或信噪比 SNRSNR 越大，极限传输速率越高
  • 只要实际速率小于 CC，理论上就可实现无差错传输
  • 实际速率通常远低于香农极限
  • 后两个定理之间的关系

传输同步方式

特性异步传输同步传输
传输单位面向字节（字符）面向比特
时钟同步每个字节独立同步（起止位）全局时钟同步（时钟线或时钟嵌入）
开销每字符若干比特开销，较大每帧若干字节开销，较小
适用场景低速传输（如RS-232）长距离高速传输
特点简单、廉价，可能有采样误差需时钟线或时钟提取，效率高

编码与调制技术

分为基带调制技术（简称编码）和带通调制技术（简称调制）。其中编码和传输方式直接相关，编码方式是实现特定传输方式的具体技术手段。

基带调制（编码）

本质上是将数据（01比特流）转换为数字脉冲信号（仍是基带信号），且不改变频带：

编码方式规则特点
RZ (归零码)高电平=1，低电平=0无自同步能力，连0/1问题，数据率2B
NRZ (非归零码)高电平=0，低电平=1无自同步能力，连0/1问题，数据率2B
NRZI (非归零反转)跳变=1，无跳变=0差分编码，解决连1问题，仍有连0问题，数据率2B
曼彻斯特编码位中心上跳=0/1，下跳=1/0每比特必跳变，自同步，数据率B^[1]
差分曼彻斯特位中心必跳变，位边界跳变=0抗干扰强，自同步，数据率B
4B/5B编码4比特映射为5比特解决连0问题，用于100Mbps以太网

带宽效率对比：

  • NRZ/NRZI：数据率 = 2B（奈奎斯特极限）
  • 曼彻斯特/差分曼彻斯特：数据率 = B（牺牲带宽换同步）

带通调制（调制）

本质上是将数字脉冲信号（基带信号）转换为高频载波信号，用于模拟信道：

调制方式调制参数特点
ASK (调幅)振幅A变化抗干扰能力弱
FSK (调频)频率f变化抗干扰优于ASK，频带利用率不高
PSK (调相)相位Φ变化BPSK：0和π相位表示0和1
QPSK4种相位(45°,135°,225°,315°)每符号2比特
QAM (正交振幅调制)幅度+相位联合调制QAM-16:4比特/符号，QAM-64:6比特/符号

星座图：将数字信号表示在复平面上，展示信号点间的距离关系。

注：码元状态数越多，数据率越高，但接收端识别难度增大，误码率上升。

信道复用技术

复用概述

复用(Multiplexing)：多路信号共享同一传输介质，提高利用率。

FDM

频分复用（Frequency Division Multiplexing）

  • 原理：用户分配到不同频带，同时传输，频带互不重叠
  • 保护间隔：由于滤波器产生的是非理想矩形，所以子信道间需设置保护带
  • 应用：广播系统、电话系统、电视系统、ADSL使用的DMT技术

TDM

时分复用（Time Division Multiplexing）

  • 原理：按时间划分为等长TDM帧，每个帧划分为时隙，每位用户占用固定序号的时隙，分时占用相同频带
  • 同步要求：用户间需严格同步，时隙间设保护间隔
  • 问题：计算机数据突发性强，固定时隙可能造成线路资源浪费

STDM

统计时分复用（Statistical Time Division Multiplexing）

  • 按需为用户动态分配时隙，提高线路利用率
  • 帧长不固定，需地址标识

CDM/CDMA

码分复用（Code Division Multiplexing）

  • 原理：各用户使用正交码片序列，同时同频传输
  • 码片序列：本质上是一个映射，将 m 位码片序列映射为 1 位数据比特。各用户被分配一个固定的码片序列，发送它本身表示发送比特 1，发送它的反码表示发送比特 0
  • 正交性：不同用户码片序列内积为 0，自身规格化内积为 1。这样就可以同时发送所有用户的码片，并通过点积自己的码片解码

关键特性：

  • 扩频通信：我们需要保持数据率不变（发送每比特的速率不变），故实际上需要在原有发送 1 比特的时间内发送 m 位码片序列。故码片速率 = m × 数据率，且频谱需要展宽 m 倍
  • 抗干扰能力强，保密性好（类似白噪声频谱）
  • 需严格功率控制

应用：3G 移动通信系统

WDM

波分复用（Wave Division Multiplexing）

  • 本质：光的频分复用
  • 技术：单根光纤传输多个光载波信号（如8×2.5Gbps）
  • EDFA：掺铒光纤放大器，同时放大多路光信号

OFDM

正交频分复用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing）

  • 特点：子载波正交，无保护间隔，频谱效率最高
  • 实现：IFFT/FFT，子载波数可变，调制方式可变（自适应）
  • 应用：4G/5G、Wi-Fi

传输介质

有线传输介质对比

介质传输信号中继间距特点
双绞线模拟信号（电话）、数字信号（以太网）2 km成本低，易安装，抗干扰一般
同轴电缆模拟信号（电视）、数字信号（Cable Modem）1-9 km抗干扰好，50Ω(数字)/75Ω(模拟)
光纤模拟信号（光强）、数字信号（光脉冲）40 km容量大，损耗小，抗电磁干扰
无线传输模拟信号（调幅/调频广播）、数字信号（WiFi/4G）因方式而异直线/视距传播，易受环境影响

双绞线

双绞线可以传输模拟信号和数字信号。包括屏蔽双绞线（STP）、无屏蔽双绞线（UTP），STP 抗干扰更强。其中 CAT 5 的 UTP（5 类线）较常用。

同轴电缆

同轴电缆可以传输模拟信号和数字信号。50 ω\omega 同轴电缆常用于 LAN/数字信号传输，75 ω\omega 同轴电缆常用于有线电视/模拟信号传输，同轴电缆抗干扰能力较好。

光纤

光纤利用全反射传输模拟信号（光波）。常用 850nm、1300nm、1550nm 中心波段（带宽均为 25,000-30,000 GHz），优点是通信容量极大、损耗小、中继距离长、抗电磁干扰、保密性好、体积小重量轻

类型特点应用
多模光纤多条不同角度入射的光线可以同时传输，纤芯较粗(50μm)短距离，LED光源
单模光纤直径=光波长，直线传播无反射，纤芯细(9μm)长距离，激光光源

无线传输介质

可以传播模拟信号和数字信号。分为无线电波通信（短波、长波等）、微波通信（地面微波接力通信、卫星通信）以及红外通信。

分类频段特性典型应用
无线电波通信(含长波/中波/短波)3kHz - 1GHz全向传播，绕射能力强，可穿透建筑物，易受干扰AM/FM广播、电视、业余电台、海事通信
微波通信(地面微波/卫星)1GHz - 40GHz方向性强，直线视距传播，需中继，容量大，频率高地面微波接力、卫星通信、雷达、5G
红外通信300GHz - 400THz视距传播，不能穿透障碍物(墙)，带宽极大，方向性强红外遥控、短距无线数据传输

微波通信

共同特点：

  • 传播方式：直线传播，视距传输（需中继，地面站间距约20-50km）。
  • 影响因素：天气（雨衰）、频率、多径效应、反射散射等都会导致信号衰减。
  • 衰减规律：自由空间接收功率与距离平方成反比，信号强度随距离增加呈指数衰减。

地面微波接力通信：

  • 通过建立中继站实现远距离传输。
  • 受地球曲率影响，典型站间距约50km。

卫星通信：

以卫星作为中继的微波通信。

  • 地球同步卫星：轨道高度约36000km，时延约270ms（往返），覆盖广，适用于广播信道。
  • 低轨卫星：轨道高度约500-1500km（典型750km），时延短，L波段(1.6GHz左右)，用于定位/移动通信。
  • 常用频段：
    • C波段：上行6GHz / 下行4GHz
    • Ku波段：上行14GHz / 下行11GHz
    • Ka波段：上行30GHz / 下行20GHz

ISM 频段： 无线电频谱的使用需得到有关部门许可。但是各国的 ISM 标准中的频段是可以自由使用的。

通信系统实例

电话系统（PSTN）

[电话] <=(本地环路)=> [端局] <=(中继线)=> [交换局] <=(中继线)=> [端局] <=(本地环路)=> [电话]

组成：

  • 本地环路：模拟双绞线传输模拟信号，独占线路
  • 中继线/干线：高容量高速光缆传输数字信号，共享线路
  • 交换局：进行分组、交换、转接，有分层结构

注：中继线上要求采用 PCM 编码，编码后会产生数字信号，再利用光电转换器转换为光脉冲。

PCM 编码标准

有两种标准：北美的 T1 标准，欧洲的 E1 标准

T1 标准： 帧频率为 8 kHz，一帧包含 193b，第一位是帧同步位，后面 192b 分为 24 个信道/话路，每个信道有 1 位信令、7 位语音数据。故总速率为：

Frame  bits×Frame  rate=193b×8kHz=1.544MbpsFrame \; bits \times Frame \; rate = 193 b \times 8 kHz = 1.544 Mbps

每帧有效数据为 24×7b=168b24 \times 7 b = 168 b

E1 标准： 帧频率为 8 kHz，一帧包含 256b，分为 32 个信道，其中 30 个用作话路，2 个用于同步/信令。故总速率为：

Frame  bits×Frame  rate=256b×8kHz=2.048MbpsFrame \; bits \times Frame \; rate = 256 b \times 8 kHz = 2.048 Mbps

每帧有效数据为 30×8b=240b30 \times 8 b = 240 b

信号复接： 通过将多路信号复接（比特交织进行时分复用），可以提高群速率，同时抬升了频率。

4 T1/E1 => 1 T2/E2, 7 T2/E2 => 1 T3/E3, 6 T3/E3 => 1 T4/E4

改进技术

PCM 各设备使用独立时钟，在时钟同步上有很大困难；且全球标准不统一。后续出现了 PDH（准同步数字系列），SDH/SONET（同步数字系列），后者统一使用主时钟控制。

SONET/SDH

SONET 标准： OC-1/STS-1 下帧频率为 8 kHz，每一帧包含 810 B，数据速率为 8b×810×8kHz=51.84Mbps8 b \times 810 \times 8 kHz = 51.84 Mbps。

OC-n/STS-n 相当于 n 个 OC-1/STS-1 的复接（字节交织进行时分复用）。

SDH 标准： STM-1 相当于 OC-3/STS-3，以此类推。

宽带接入技术对比

技术传输介质复用方式调制技术特点
ADSL（非对称）双绞线FDMDMT（多子载波 QAM）非对称，上行低，下行高，距离取决于数据率和线径。自适应调制（尽量高但是非固定的数据率）。DMT 需成对使用。
HFC光纤+同轴电缆（混合光纤系统）FDMCable Modem（下行 QAM，上行 QPSK / QAM-16）将主干部分改用光纤，多个电缆通过光纤结点与一个光纤连接，多个用户共享一个电缆。非对称，下行高，上行低，广播为主。Cable Modem 在用户端单独使用。
FTTx光纤TDM(WDM)光调制FTTH/FTTB/FTTC，带宽大，未来趋势
GSM（2G）无线FDM+TDMGMSK（高斯最小频移键控）FDD 双工
5G无线OFDM+Massive MIMO高阶 QAM频率越高，带宽越宽，数据率越高。高频段，微基站，D2D 通信

ADSL vs HFC 性能对比：

特性ADSLHFC
介质独占性用户独占双绞线多用户共享同轴电缆
数据率稳定性仅与距离/线径有关与用户数、线路质量有关
上行方式专用时隙竞争方式(S-ALOHA/CDMA)
对称性非对称非对称