# 物理层
## 概念知识点
### 物理层的定义
ISO/OSI 关于物理层的定义：物理层提供**机械的、电气的、功能的和规程（过程）的特性**，目的是**启动、维护和关闭**数据链路实体之间进行**比特传输**的物理连接。这种连接可能通过中继系统，*在中继系统内的传输也是在物理层的*。
### 物理层的功能
在两个网络设备之间提供**透明**的**比特流**传输。\
两个概念：\
1\. 透明的：物理层作为底层，对上层不可见，上层不需要关心是如何传输的\
2\. 比特流：传输0和1的信息
### 物理连接三种方式
\
1\. 全双工：可以同时双向传输数据\
2\. 半双工：一方在传输数据的时候另一方不能传输数据\
3\. 单工：永远只能一方传输数据，如：广播
### 并行传输(parallel)与串行传输(serial)
并行传输：**至少有8位**数据同时传输，**计算机内部**的数据多是并行传输。如：打印机\
串行传输：距离较远的情况，**每次**由源到目的传输的数据**只有一位**。由于**成本因素**，**远距离**通信一般采用串行传输技术。\
### 数据链路
定义：二个物理接口之间的**一切**（协议、规程、软硬件）\
**数据终端设备(DTE, data terminal equipment)**\
DTE必须包含：输入/输出+传输控制\
包括一般用户终端、计算机等数字设备。如：键盘显示器、智能终端、手机（APP）
**数据电路终接设备(DCE, data circuit-terminating equipment)**\
DCE是*数据终端*与*通信线路*之间的连接设备，它相当于**通信线路的终端**。如：Modem\
作用：为用户终端提供**信号的变换与编码**功能，以及**建立、维持和释放**通信线路的功能。
### 物理层标准
\
物理层为了解决连通的问题，制定一系列协议。如：\
**V系列建议**：通过电话网进行数据传输。\
**X系列建议**：通过公用数据网进行数据传输。\
**I系列建议**：通过综合业务数字网进行数据传输。
### 物理层的基本特性
物理层所具有的四个特性：
* 机械特性
* 规定接口所使用的连接器技术规格，如形状、尺寸、引线数及排列方法等。
* 如：ISO 2110、ISO 2593、ISO 2597
* 电气特性
* 接口电缆的各条线上出现的电压范围。
* 如：非平衡型、平衡型
* 功能特性
* 某一电压表示何种含义。具体定义功能划分：数据、控制、定时和接地。
* 如：V.24、X.24
* 规程（过程）特性
* 主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系，即不同功能出现的顺序。
* 如：V.24EIA RS-232
## 信号
### Basic Concepts
* Signal:electro-magnetic wave carrying information.
* **信号**是数据的电气或电磁的表现。只是一种物理的表现形式，如光信号，电信号，其本身不表示任何信息。
* **信息**则是信号的具体内容，有语义的数据。（专业:消息，message）通常是人为定义的，如什么光信号表示什么信息。
* **数据**是信息的表现形式，是事实或观察的**结果和记录**，是用于表示客观事物的**未经加工的的原始素材**。
* **Transmission**：Communication of data by propagation and processing of signals
### 连续信号和离散信号
### 模拟和数字信号的传输
#### 输出为模拟信号
#### 输出为数字信号
#### 简化的数据传输模型
### 数字数据编码技术
* **基带**：基本频带，指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带。
* **基带信号**：来自**信源**的信号。
* **基带传输**：在传输时**直接使用**基带信号。
* 基带传输是一种最简单最基本的传输方式，一般用低电平表示“0”，高电平表示“1”。
* 适用范围：低速和高速的各种情况。
* 限制：因基带信号所带的频率**成分很宽**，所以对传输线有一定的要求。
### 常用的几种编码方式
\
1\. 不归零制码（NRZ：Non-Return to Zero）
* 原理：用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”，低电平表示“0”，高电平表示“1”。
* 缺点：
* 难以分辨一位的结束和另一位的开始；
* 发送方和接收方**必须有时钟同步**；
* 若信号中“0”或“1”连续出现，直流分量难识别。
* 结论：容易产生传播错误。
1. 曼彻斯特码（Manchester），也称相位编码
* 原理：每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表示“0”，从高跳到低表示“1”。
* 优点：克服了NRZ码的不足。每位中间的跳变即可作为数据，又可作为时钟，能够自同步。
1. 差分曼彻斯特码（Differential Manchester）
* 原理：每一位中间都有一个跳变，每位开始时有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。**位中间跳变表示时钟，位前跳变表示数据。**
* 优点：时钟、数据分离，便于提取。
1. 逢“1”变化的NRZ码
* 原理：在每位开始时，逢“1”电平跳变，逢“0”电平不跳变。
1. 逢“0”变化的NRZ码
* 原理：在每位开始时，逢“0”电平跳变，逢“1”电平不跳变。
### 数字数据的模拟传输（带通调制）
由于宽带和接受的设备之间频率具有交大的差别，所以需要进行调制。\
**频带传输**：指在一定频率范围内的线路上，进行载波（Carrier）传输。通过调制，使其变为适合于线路传送的信号。频带传输的优点是可以利于现有的大量模拟信道(如模拟电话交换网：300Hz \~ 3400Hz)通信。价格便宜，容易实现。
* 调制（Modulation）：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化。
* 解调（Demodulation）：调制的反变换。
* 调制解调器MODEM（modulation-demodulation)。
### 带通调制方法
\
调制就是让载波信号的参数根据调制信号S(t)的变化而变化。根据载波 $A\cos{\omega t+\phi}$ 的三个特性：幅度、频率、相位，产生常用的三种调制技术，也称键控技术：
* Amplitude shift keying (ASK) 收音机中的AM---调幅
* 载波的振幅随基带数字信号而变化
* 
* Frequency shift keying (FSK) 收音机中的FM---调频
* 载波的频率随基带数字信号而变化
* 
* 比ASK的错误率更低
* 
* Phase shift keying (PK)
* 载波的初始相位随基带数字信号而变化
* 
三种键控技术对比：\
### 一种正交调制 QAM
QAM (Quadrature Amplitude Modulation)\
* 可供选择的相位有12种(正斜方两个相位相同)
* 对于每一种相位有1或2种振幅可供选择(正斜方有两种振幅选择)
* 16 个点中的每个点可对应于一种**4 bit**的编码。
* 优点：效率高。
* 缺点：接收端进行解调时要**正确识别**每一种状态困难。
### 多级调制方法
### 数字信号通过实际的信道
* 失真不严重
* 失真不严重
## 模拟-数字编码
### 脉冲编码调制 (PCM)
Pulse Code Modulation，又称**脉码调制**。
#### 第一步：采样
* 定义
从时间上连续的信号中取出“样品”，使连续信号成为一串时间上离散的“样值”序列。
* 样值序列(或样值信号)
* 采样后得出的一串在时间上离散的样值。
* 采样过程
* 相当于用脉冲S(t)对模拟信号f(t)进行脉冲调制。
* 采样定理（又称Nyquist采样定理）
> 如果在规定的时间间隔内，以**高于两倍最高有效信号频率的速率**对信号f(t)进行采样的话，那么这些采样值包含了原始信号的全部信息。利用**低通滤波器**可从这些采样中更新构造出函数f(t)。
在数字信号处理领域中，采样定理是“模拟信号”和“数字信号”之间的**基本桥梁**。Nyquist发现了**带宽和传输速率**之间的关系。
#### 第二步：量化
* 定义
* 把样值信号的**无限多**个可能的取值，近似地用**有限个数**的数值来表示。
* 量化级
* 把样值信号的瞬时幅度分成许多度量单位，一个度量单位称为一个量化级，用量化级的大小来表示瞬时样值。
* 量化误差
* 量化值与原样值的幅度差别。
* 量化误差e(t)＝(量化值)－(样值)
#### 第三步：编码
* 定义
* 编码处理使离散的量化样值成为合适的二进制数字码组。
* 解码
* 把数字信号码组变换成相应的电压或电流量，恢复成原量化的样值信号。
* 实现
* 在二进制码中，由n位代码可组成$2^n$个不同的码字，表示量化信号可有$2^n$个不同的数值。n越大，在相同的编码信号范围内，其量化就愈精细，因为粒度更小从而近似带来的误差更小。
## 常见的 Internet 音频
* 人的声音（发声：100-10000Hz，听觉:200-20000Hz，敏感:1000-3000Hz）
* CD采用PCM,采样速率为44.1k次/秒,每个点用16bit表示,单声道速率为705.6kbps, 立体声速率为1.411Mbps
* 远高于两倍采样速率，所以特别好听——高保真
* 1.4Mbps超过了多数接入速率,网络上采用压缩技术,GSM(13kbps)、G.729(8kbps)
* MP3通常速率为96kbps，128kbps，160kbps
* 一路话音：4K\*2\*8bit= **64 kbps** (G.711) —— 按照G711标准一段通话未经压缩就是 64kpbs
* 以 64kbps 为分界线，64kbps以内属于 **窄带**，大于 64kbps 属于 **宽带**
* 电话线：300-3400Hz （4KHz是为了两端留出空隙）因为只需要覆盖人的听觉敏感范围即可
## 模拟-模拟编码
\
e.g. 传统的收音机、电视机经过调频输出
## 奈氏(Nyquist)准则
* Baud 是波特，是**码元传输速率的单位**，1 波特为每秒传送1个码元（信息载体，时间间隔相同的符号）
* 码元传输速率也称为调制速率、波形速率。
* 比特是信息量的单位，码元是一个状态，不是最小的单位。
* **理想低通**信道的 最高码元传输速率 = 2HBaud
* 理想：没有噪音
* 低通：0 \~ 导体的截止频率的部分(截止频率：高于此频率的无法通过)
* H 是理想低通信道的带宽，单位为赫(Hz)
在比较两个传输速率的时候，不应该拿波特率进行比较，因为波特不是最小的传输单位，波特是单位时间内传输的码元，而一个码元可能携带不同的bit数，如状态数为8的码元携带3个bit，状态数为16的码元携带4个bit，要将波特率转换为比特率才有可比性。\
$$最大比特率(bit rate) = 2H\log\_2{V}(bps)$$\
其中 V 为调制的状态数，为2的幂次
* **理想带通**信道的最高码元传输速率为 1H Baud
* 带通指的是在0 \~ 截至频率之间的再截取的一段部分
## 香农定理：信道极限信息传输速率
* 香农(Shannon)用**信息论理论**推导出带宽受限且有**随机噪声干扰**的信道**极限**信息传输速率。
* 信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
* $$C = W\log\_2{(1+\frac{S}{N})} b/s$$
* W 为信道的带宽（以Hz 为单位）
* S 为信道内所传信号的平均功率
* N 为信道内部的噪声功率
* 信噪比：英文名叫 SNR 或 S/N，单位是分贝(dB)，体现信道中信号的功率和噪声功率的比值，其计算方法是：$$dB=10lgS/N$$ 信噪比应该越高表示传输效率越好。
## 奈氏准则和香农公式在数据通信系统中的作用范围
例题计算：带宽3000Hz,信噪比为30dB,求最大数据传输率. dB=10lgS/N\
**注：分贝(dB)是一个无量纲的数值，用来衡量通信中的噪声的大小**\
解答：\
由信噪比为 30dB 可知 lgS/N=3 -> S/N=1e3\
所以 C = 3kHz\*log2(1+S/N) 约等于 3kHz\*10=30kHZ=30kbps
**可以看出受到带宽的约束，传统的电话线已经被淘汰**。
## 多路复用技术(Multiplexing)
为了提高信道利用率，使**多路信号**沿**同一信道**传输而**互不干扰**的技术。
* 实现多路复用的关键
* 把多路信号**汇合到一条信道**上之后，在接收端必须能**正确地**分割出**各种信号**
* 分割信号的依据
* 信号之间的差别，包括但不限于：
* 频率上的不同
* 信号出现时间上的不同
* 信号码型结构上的不同
* 多路复用技术
* 频分多路复用(FDM)
* 时分多路复用(同步TDM)
* 统计TDM(异步TDM或智能TDM)
### 频分多路复用(FDM)
Frequency Division Multiplexing\
* 定义
* 在介质上**同时传输**多路信号，每路信号以**不同的载波频率**进行调制，而且各个**载波频率完全独立**，即载波形成的**信号不互相重叠**，则各路信号可以成功地在介质上传输
#### 波分多路复用(WDM)
Wavelength division multiplexing
* 定义
* 密集型光波复用（DWDM：Dense Wavelength Division Multiplexing）是能组合一组光波长用一根光纤进行传送
**属于一种特殊的频分多路，是频分多路复用在光纤信道的使用**\
### 时分多路复用(同步TDM)
Time Division Multiplexing\
* 定义：
* 以时间作为分割信号的依据。它利用每个信号在**时间上的交叉**，可在一个传输通路上传输多个数字信号(或运载数字数据的模拟信号)。
* TDM的实质
* 利用了采样原理
* n路时分复用系统的关键
* 收发端旋转开关必须严格的同步，即同频同相，才能保证正常的通信。
复用器输出线路容量＝∑复用器**输入线路**容量\
总时间T划分的时间片数N = 复用器**输入端**的**低速**线路数
#### 统计TDM与同步TDM比较
### 码分复用/码分多址CDMA
* CDMA(Code Division Multiple Access)
* All users share same frequency
* 采用扩频技术，是**3G移动通信技术**，**每一个比特**要转换成 m 个比特的码片，实际上发送的数据率提高到 ***mb*** bps，所占用的**频带宽度**也提高到原来数值的 m 倍。
* 窄带CDMA满足话音和一般数据通信的要求（2.5G）
* 宽带CDMA（3代）满足多媒体通信的要求
**特点**：
* 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。
* 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)。
* 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)
和在嘈杂的人群中能听到方言类似，大家只接受自己有用的信息，其余的是噪音。\
**和密码学中的异或加密有异曲同工之妙。**
#### 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S 和T 的内积(inner product)都是0：
$$S \cdot T = \frac{1}{m} \sum\_{i=1}^{m} S\_{i}T{i} \equiv 0$$
* 任何一个码片向量和该码片向量自己的规一化内积都是1:
$$S \cdot S = \frac{1}{m}\sum\_{i=1}{n}S\_{i}S\_{i}=\frac{1}{m}\sum\_{i=1}{n}S\_{i}^{2}=\frac{1}{m}\sum\_{i=1}{n}(\plusmn1)^2 \equiv 1$$
* 一个码片向量和该码片反码的向量的归一化内积值是–1。
举个例子：\
#### Encoding and Decoding
* Assume original data are represented by 1 and -1
* Encoded signal= (original data) x (chipping sequence)
* Decoding:inner-product (summation of bit-by-bit product) of encoded signal and chipping sequence
* if inner-product > threshold, the data is 1; else -1
**单信号传输的例子**\
**多信号传输的例子**\
\
因为向量的加法不会对内积造成影响，加法和内积在一定程度上也是 **正交的**
**CDMA 的工作原理图** 
## 传输过程中的同步技术(传输模式)
* 定义
* 统一接收方和发送方动作，使得通信双方在**时间基准**上**保持一致**的技术称为同步技术。
* 何时开始发送数据
* 发送过程中双方的数据传输速率是否一致
* 持续时间是多少
* 发送时间间隔是多少
* 常用的同步技术
* 异步传输方式
* 同步传输方式
### 同步通信和异步通信
* 数据通信（同步技术）可分为同步通信和异步通信两大类
* **同步通信**要求**接收端时钟频率和发送端时钟频率一致**。发送端发送**连续的**比特流。
* **异步通信**时**不要求**接收端时钟和发送端时钟同步。发送端发送完一个字节后，**可经过任意长的时间间隔**再发送下一个字节。
* Difference: 异步通信的通信**开销较大**（效率低），但收发端可使用**一般精度**的时钟来进行数据通信。（如传统**非USB**鼠标、**非USB**键盘、异步通信接口等）
### Asynchronous异步方式
* 所谓异步传输方式就是在**被传送的字符前后**加**起止位**，实现定时的传输方式
* 这种传输方式是以一个**字符(bit)**为单位进行
* 在每个字符代码的**前后**附加上**起始位和停止位**
* 异步通信是通过**增加通信开销**(每发送10个比特就有两个比特的额外开销，因而数据的有效传输速率就降低了，损耗达到20%)，使接收端能够使用**廉价的、一般精度的时钟**来进行数据通信
**特点**
* 简单
* 廉价
* 效率低
* 开销大
* 不适合长距离传输
### Synchronous同步方式
* 数据块的传输不需要起止符
* 时钟必须同步
* 两种时钟同步方式
* 外同步
* 通过一根额外的线缆进行时钟同步
* 内同步
* 通过传输的信号中带有的时钟同步，如曼彻斯特编码
* Carrier frequency (analog) 模拟信号的频率
* 同步通信就是要求**接收端的时钟频率和发送端的时钟频率相等**(这常称为收发双方的**时钟是同步**的)，以便使**接收端对收到的比特流的采样判决的时间是准确**的。
* 在传输过程中，大的数据块一起发送，在数据块的前后附加一些特殊的字符作为成**帧信息**。
* 同步传输遵循面向**字节(1 Byte=8 bits)**的协议
#### 面向字节协议
* ASCII传输控制字符
* SOH(Start of Header)：标题开始。指示标题的开始。标题信息包括地址、序号，类型等。
* STX：正文开始。指示数据正文由此开始。
* ETX：正文结束，指示数据正文到此结束。
* DLE：数据链转义，通常在DLE后跟一两个非控制字符共同组成“转义序列”，可作新的功能符使用，以扩充控制字符的功能。还有一种就是传输的信息与控制字符相同时，为防止出现误判则需要转义，就像C里面的反斜杠。
* SYN：同步。在同步传输时，用此字符填充数据间歇。
#### 面向比特协议
SDLC(Synchronous Data Link Control Protocol)\
与面向字节协议相对应的是面向比特协议\
由IBM在开发，后被ISO标准化为HDLC(High-Level Data Link Control Protocol)\
传输过程中不需要是8的倍数，可以任意个数的bit传输\
\
传输效率极高，只需要两端的起止符就可以获得中间的所有数据信号
## 数字传输系统
* 在**早期电话网**中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的**双绞线电缆**，而长途干线采用的是**频分复用FDM** 的模拟传输方式。
* 与模拟通信相比，**数字通信**无论是在传输质量上还是经济上都有明显的**优势**
* 传输效率高、质量好、网络时延小；
* 骨干传输网络具有电路交叉连接功能，可进行**灵活的电路调配**(选择最快的通讯线路)，快速响应用户的需求；
* 拥有完善网络管理监控性能和各种网络保护机制，具有**很高的安全可靠性**；
* 支持数据、话音、图像多种业务。
信令网：用于管理，如何时接入电话等\
\
其中用到的编码技术：**PCM**，网络交换分配技术：**TDM**
## PCM/TDM
程控交换机根据拨号分配传入的下一个交换机\
## 我国电话结构
**路由算法：根据需求和实际情况寻找最优路线**\
## 数字载波标准
* T-标准
* 北美、日本
* E-标准
* 欧洲、中国、南美
* 略
## SONET和SDH
### SONET
* 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**（各节点有独立时钟）。
* 为了解决上述问题，美国首先在1988年推出了一个数字传输标准，叫做**同步光纤网SONET** (Synchronous Optical Network)，主要在北美和日本。
* 同步: 采用精准的**主时钟**（铯原子钟，3万年差1秒）
#### SONET的基本帧结构
### SDH
**国际标准同步数字系列SDH (Synchronous Digital Hierarchy)**
* 定义
* SDH是一种将复接、线路传输及交换功能融为一体、并由统一网管系统操作的综合信息传送网络
* 一般可认为SDH 与SONET 是同义词
* 其主要不同点是
* SDH 的基本速率为 155.52 Mbps，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。
#### SDH的基本帧结构(STM-1)
## 物理层例子
### The DTE-DCE Interface
## 物理层标准
### 机械特性
如：多少针口\
e.g. EIA RS-232C协议
* EIA RS-232C是1969年美国EIA制订的DTE/DCE标准接口，除了用于数据传输的DTE/DCE接口，也可用于两个DTE之间的直接连接。
* 25针连接器 (ISO 2110)
* 用于串行的语音调制解调器、公用数据网接口、电报接口和自动呼叫设备中。
* 
### 电气特性
如：传输信号何时表示0和1
* 一个电路一条线，收发两端共用一个信号回路（地）。
* 
* 
### 功能特性
### 同步口举例
e.g. EIA RS-449/422-A/423-A
* EIA RS-449 是为替代RS-232-C而提出的物理层标准接口(亦称 V.35 接口)。
* 主要改进
* 改善了性能，加长了接口电缆距离，加大了数据传输率
* 增加了新的接口功能，例如，回送检查
* 主要用于连接数字电路E1、T1、ISDN等
* 机械特性
* 37芯或9芯连接器
* 电气特性
* 与RS-232-C相连，采用非平衡型电气特性 RS-423-A，20Kbps以下
* 其他情况，采用平衡型电气特性 RS-422-A 和RS-423-A，20Kbps \~ 2Mbps
## 传输媒介
* 磁介质（最原始，人力携带磁盘传送）
* 金属导体
* 双绞线、 同轴电缆
* 光纤
* 无线介质
* 无线电、短波、微波、卫星、光波
### 双绞线
* 每一对双绞线由绞合在一起的相互绝缘的两根**铜线**组成。
* **利用铜线中的电流产生的电磁场的相互作用，以抵消临近线路和外界的(电磁)干扰**，提高传输质量。电话线就是双绞线。
* 双绞线可以用于传输**模拟传输或数字传输**。
* 计算机局域网中经常使用的双绞线有**屏蔽和非屏蔽**之分。
#### ADSL: Asymmetric Digital Subscriber Line
* 在一对普通电话双绞线上同时传送高速数据业务和话音业务，两种业务相互独立、互不影响。
* 最高下行速率达8Mbps，最高上行速率达1Mbps。
* 传输距离最大可达4～5km，也就是家庭到达最近的基站的最远距离。
* ADSL编码：DMT（Discrete Multi-Tone），共 **25上行** 和 **249下行** 个**子载波**，每个子载波上采用 **QAM** 调制。
#### ADSL的接入模型
* 采用曼切斯特编码、携带了数字数据的数字信号：A
* 携带了语音数据的模拟信号：C、E、F
#### 屏蔽双绞线 (STP)
STP(Shielded Twist Pair): 以箔屏蔽以减少干扰和串音。\
保密机构防窃听使用。\
#### 非屏蔽双绞线 (UTP)
3类、5类UTP双绞线外没有任何附加屏蔽。\
公司学校没有保密的信息使用。\
#### 双绞线接头RJ45
#### 双绞线连接方式
### 同轴电缆
* 基带同轴电缆
* 一条电缆只用于一个信道，50 欧姆阻抗，用于数字传输
* 宽带同轴电缆
* 一条电缆同时传输不同频率的多路模拟信号，75 欧姆阻抗，用于模拟传输，1GHz，100km，需要放大器
注：阻抗：在具有电阻、电感和电容的电路里， 对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗，表示一段电路性能的物理量，交流电路中一段无源电路两端电压峰值(或有效值)Um与通过该电路电流峰值(或有效值)Im之比称为阻抗
#### 同轴电缆接头及连接方式
**总线型**\
#### 光纤同轴混合网（HFC）
小区内采用同轴电缆，接入主干网采用光纤传输。\
**头端**；headend，在**有线电视网络**上，**负责放大上级信号并插入本地广播电视和其他信号**的信号分配中心。\
#### Access net: cable network
#### Cable Modems
### 光纤
* 依靠光波承载信息
* 高传送速率，通信容量大
* 传输损耗小，适合长距离传输
* 抗干扰性能好，保密性好(无电信号，防窃听)
* 轻便
注：光纤由传导光波的高纯石英玻璃纤维和保护层（jacket）构成，直径8-100um，其中纤芯（core）的折射率大于包裹着它的包层（cladding）折射率，这样光信号就被保持在纤芯中不会散播出去——光的全反射。
#### 光纤传送模式
分为**多模**和**单模**\
#### 典型的光缆
**单芯光缆**
一支光缆中包裹一根内芯\
**多芯光缆**
一支光缆中包裹多根内芯\
1\. 可扩展性好——后期在需要的时候可以直接使用\
2\. 冗余备份——一根内芯发生损坏可以使用其他\
**铠装光缆**
**注：** 光缆在放置的时候要注意不能出现折角，要保持有一定的弧度
**光接收器（光电转换器）**
**强度调制**\
**光纤接口**
注意接口有很多种类，需要匹配种类\
#### FTTx 划分
* 光纤接入在向用户延伸
* 趋势：宽带接入设备，解决最后一公里问题
* 以高性能介质回应用
* FTTx：光纤到……（根据ONU位置，即深入用户的位置）
* FTTN(Node) : 光纤到节点
* FTTCurb或FTTCab : 光纤到路边配线箱
* FTTB(Building) : 光纤到大楼
* FTTH(Home)/FTTO：光纤到家、光纤入户、光纤到办公室
#### 光纤接入网
* 光纤接入网（OAN：Optical Access Network）是指用光纤作为主要的传输介质，实现接入网功能。
* ODN（光配线网）：为OLT和ONU之间提供光传输技术（WDM），无源PON为主。
## 电信领域使用的电磁波频谱
LF: Low Frequency (低频)\
MF: Medium Frequency (中频)\
HF: High Frequency (高频)
## 非导引型传输媒介(无线电)
* 使用电磁波
* 无需有线物理连接
* 适用于长距离
**类型**：
* 无线电传输：在LF、MF沿着地面传播；在HF、VHF由电离层反射。
* 红外线与毫米波传输：不能穿透障碍物，适用于室内，如短距离通信，如电视、录象机等遥控。
* 微波传输：能量集中，天线必须对准。
* 激光传输：不能穿透雨或浓雾。
### 微波传输
* 在**100MHz以上**，微波通过**抛物状天线**把能量集中于一小束，具有**极高的信噪比**，沿直线实现可视距传输。
* 在地面因**地表弯曲**，需**中继站接续微波信号**，100米高的塔可接续约100公里。
* 地面微波接力：
* 卫星微波接力：
* **天气和频率**的影响可造成多路减弱。
* 开放的波段：2.4 GHz \~2.484 GHz，即工业/科学/医学波段。
### 通讯卫星
### 移动通信
* 手机等终端设备连接到基站，由基站传输数据，基站之间通过光缆连通
* 占用带宽800MHz\~2.5G左右
* 基站之间的通信采用了蜂窝技术，相邻基站之间使用的频率互不相同，以免相互干扰
详情见：[移动通信的蜂窝小区划分和频率复用](https://www.maixj.net/ict/fengwoxiaoquhuafen-pinlvfuyong-7456)
### ISM（工业科学医学） 频段
## 常用传输媒体的比较
| 传输媒体 | 速率 | 传输距离 | 抗干扰性 | 价格 | 应用 | 实例 |
| :------: | :---------------------------------------: | :-----: | :----------------: | :--------------------: | :-------------------------------------: | :----------------: |
| 双绞线 | 模拟信号:300-3400Hz
数字信号:10-100Mbps
| 几十公里 | 可以 | 低廉 | 模拟传输
信号传输
| 用户环线LAN |
| 50欧姆同轴电缆 | 10M | 1公里内 | 较好 | 略高于双绞线 | 基带数字信号 | LAN |
| 75欧姆同轴电缆 | 300-450MHz | 100公里 | 较好 | 较高 | 模拟传输
可分多信道混合传输
电视、数据以及CD音频
| CATV |
| 光纤 | 100M-100Gbps | 30公里 | 很好 | 较高 | 远距离传输 | 长话线路
主干网
|
| 短波 | 几十-几百bps | 全球 | 一般
通信质量差
| 较低 | 远程低速通信 | 广播 |
| 地面微波接力 | 4-6GHz(长途电话) | 几百公里 | 很好 | 低于同容量和
长度的电缆
| 远程通信 | 电视 |
| 卫星 | 500MHz | 一万八千多公里 | 很好 | 费用与距离无关 | 远程通信 | 电视、电话、数据 |
## 数据通信的主要技术指标总结
1. 带宽 ：信道能够传送电磁波的有效频率范围就是该信道的带宽。 有时，也把**信号所占据的频率范围**叫做信号的带宽。
2. 信号传播速度： 信号在信道上每秒钟传送的距离，单位是米/秒。信号传播速度接 近光在真空中的速度，基本上是20万公里/秒。
3. 数据传输速率： 单位是比特/秒(bps)。
如在100Mbps传输速率的情况每比特传输时间为10ns；在10Mbps传输速率的情况下，每比特传输时间为100ns。
4. 最大传输速率：每个信道**传输数据的速率有一个上限**，叫做信道的最大传输速率。
5. 波特率(码元速率)：信号每秒钟变化的次数叫做波特率(Baud) 。
6. 吞吐量：信道在单位时间内**成功传输的信息量**。单位一般为比特/秒。
例如，某信道在10分钟内成功传输了8.4M比特的数据，那么它的吞吐量就是8.4M比特/600秒=14Kbps。
7. 利用率：是吞吐量和最大数据传输速率之比。
8. 延迟：指从发送者发送第一位数据开始，到接收者成功的收到最后一位数据为止，所经历的时间。
9. 抖动(Jitter):延迟不是固定不变的，它的实时变化叫做抖动。
抖动往往与机器处理能力、信道拥挤程度等有关。延迟敏感，如电话；抖动敏感，如实时图像传输。
10. 差错率(包括比特差错率、码元差错率、分组差错率)：
在计算机通信中最常用的是**比特差错率**和**分组差错率**。
* 比特差错率是**二进制比特错传的位数与传输总位数之比**。
* 码元差错率(对应于波特率)指**码元被误传的概率**。
* 分组差错率是指数据**分组被误传**的概率。
我们通过一个对线路的描述来说明上述概念：\
有一条带宽3000Hz的信道，最大传输速率可以达到30Kbps(由带宽和信噪比结合香农定理计算)，实际使用的数据传输速率为28.8Kbps(香农计算的是极限，实际比极限小)，传输信号的波特率为2400baud(与编码相关)，它的吞吐量为14Kbps，所以利用率约等于50%，延迟约为100ms，由于环境稳定，所以抖动很小，忽略不计。
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