物理层

Feb 25th, 2020 - Mar 19th, 2020

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

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。