第二章 物理层

Q&A

• Q1:为什么有统计时分复用？
  A：统计时分复用STDM（Statistic TDM）时一种改进的时分复用，能明显地提高信道的利用率。STDM帧不是固定分配时间间隙，而是按需动态分配时隙。

• Q2:频分复用和波分复用关系。
  A：波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）。其使用一根光纤同时传输多个载波信号。

• Q3:*** CMDA如何理解？
  A：码分复用CDM（Code Division Multiplexing）时一种共享信道方法。CDMA（Code Division Multiple Access）即码分多址。
  码分多址：

  • 同频带，异码型，不干扰。
  • 抗干扰，白噪声，不发现。
    码片序列（chip sequence）：
    • 每一个比特时间划分为m个短间隔->码片（chip）
    • 每一个站点指派唯一m bit码片序列：

    if（要发送比特1）
          发送m bit码片序列
    else if（要发送比特0）
          发送码片序列的二进制反码
    

    • 例如，S站8 bit码片序列为11101101
      按照惯例将0写作-1，1写作+1,则

       if(发送比特1）
          发送（+1 +1 +1 -1 +1 +1 -1 +1）
      else if（发送比特0）
          发送（-1 -1 -1 +1 -1 -1 +1 -1）
      

    • 码片必须各不相同，互相正交（orthogonal）。

  例题：2-16 共有 4 个站进行码分多址 CDMA 通信。4 个站的码片序列为:

  站点	码片序列
  A	(-1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
  B	(-1 –1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)
  C	(-1 +1 –1 +1 +1 +1 -1 -1)
  D	(-1 +1 –1 –1 -1 –1 +1 -1)

  现收到这样的码片序列:

  S	(-1 +1 –3 +1 -1 –3 +1 +1)

  问哪个站发送数据了?发送数 据的站发送的 1 还是 0?
  解：

  S·A=(+1-1+3+1-1+3+1+1)/8=1， A 发送 1
  S·B=(+1-1-3-1-1-3+1-1)/8=-1， B 发送 0 
  S·C=(+1+1+3+1-1-3-1-1)/8=0， C 无发送 
  S·D=(+1+1+3-1+1+3+1-1)/8=1， D 发送 1
  

• Q4:什么叫宽带网络？
  A：双向速率之和大于200kbit／s。至2015年1月，下行25Mbit／s，上行3Mbit/s。

• Q5:ADSL是什么？她有什么特点？
  A：非对称数字用户线ADSL（Aysmmetric Digital Subscriber Line）时用数字技术对现有模拟电话进行改造，使其承载数字业务。

  • 下行带宽（从ISP（Internet Service Provider）到用户）远大于上行宽带（从用户到ISP）

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2.1 物理层的基本概念

物理层的协议常称为物理层规程（procedure）
物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口相关的一些特性，即

特性	指明
机械特性
电气特性
功能特性
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

源系统->传输系统->目的系统
源系统一般包括以下两个部分：

• 源点
• 发送器

目的系统一般也包括以下两个部分：

• 接收器
• 终点

术语

名称	解释
消息（message）	通信目的是传送消息。如文本图像都是消息
数据（data）	数据是运送消息的实体
信号	模拟信号（连续信号）、数字信号（离散信号）
码元	代表不同离散数值的基本波形就称为码元

2.2.2有关信道的几个基本概念

信道名称	说明
单向通信（单工通信）
双向交替通信（半双工通信）
双向同时通信（全双工通信）

信道（channel）：像某一个方向传输信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接受信道。

信道名称	说明
单向通信（单工通信）
双向交替通信（半双工通信）
双向同时通信（全双工通信）

（1）常用编码方式

制式	方式

（2）基本的带通调制（modulation）方法

方法	特性
调幅AM	同下顾名思义
调频FM	同下顾名思义
调相PM	载波的初始相位随基带数字信号而变化

2.2.3信道的极限容量

奈式准则

1924年，奈奎斯特（Nyquist）推导出了著名的奈氏准则。他提出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

奈奎斯特(Nyquist)推导出在理想低通信道下的最高码元传输速率的公式:
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
这里W是理想低通信道①的带宽,单位为赫(Hz);
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.
上式就是著名的奈氏准则.奈氏准则的另一种表达方法是:每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元.

2-06 数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制?信噪比能否任意提高?香农公式在数 据通信中的意义是什么?“比特/秒”和“码元/秒”有何区别? 答:限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个:
(1)在任何信道中，码元传输速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重 的码元间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。
(2)由于噪声会使接收端对码元的判决产生错误(1 判决为 0 或 0 判决为 1)。所以信 噪比要限制在一定范围内。由香农公式可知，信息传输速率由上限。
信噪比越大，量化性能越好;均匀量化的输出信噪比随量化电平数的增加而提高;非均 匀量化的信号量噪比，例如 PCM 随编码位数 N 指数规律增长，DPCM 与频率有关等。但实际 信噪比不能任意提高，都有一定限制。例如增加电平数会导致接收机的成本提高，制作工艺 复杂等。
香农公式的意义在于:只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。

信噪比

2-08 假定要用 3kHz 贷款的电话信道传送 64kb/s 的数据(无差错传输)，试问这个信道应 该具有多高的信噪比(分别用比值和分贝来表示)，这个结果说明什么问题?
答:S/N=3x1024Hz／64kb/s=64.2dB 是个信噪比很高的信道

香农公式

信道的极限信息传输速率C是
C=Wlog2(1+S/N) bit/s

符号	含义	单位
C	极限信息传输速率	bit／s
W	信道带宽	Hz
S	平均功率
N	高斯噪声功率

2-09 用香农公式计算一下:假定信道带宽为 3100Hz，最大信息传输速率为 35kb/s，那么 若想使最大信息传输速率增加 60%。问信噪比 S/N 应增大到多少倍?如果在刚才计算出的基 础上将信噪比 S/N 再增大到 10 倍，问最大信息传输速率能否再增加 20%

答:奈氏准则:每赫带宽的理想低通信道是最高码元传输速率是每秒 2 个码元。香农公式则 表明了信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。根据香农公式， 计算信道的极限信息传输速率 C 为:C=log2(1+S/N)b/s;根据公式，可以计算出，信噪比 S/N 应增大到 100 倍。如果在此基础上将信噪比 S/N 再增大 10 倍，最大信息速率只能再增加 18.5% 左右。

Q：如何提高信息传输速率？A：让每一个码元携带更多比特的信息量

2-07 假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为 2000 码元/秒。如果采用振幅调制，把 码元的振幅划分为 16 个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率(b/s)?
答:80000 b/s

2.3.1导引型传输媒体

媒体名称	说明
双绞线
同轴电缆
光缆	单模光纤优且贵于多模光纤

2.4信道复用技术

复用（multiplexing）：是通信技术中的基本概念，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。

三种主要服用方式

复用类型	说明
频分复用FDM	将用于传输信道的总带 宽划分成若干个子频带(或称子信道)，每一个子信道传输 1 路信号。
时分复用TDM	将提供给整个信道传输信息 的时间划分成若干时间片(简称时隙)，并将这些时隙分配给每一个信号源使用，每 一路信号在自己的时隙内独占信道进行数据传输。
统计复用STDM	使用STDM帧传送数据。动态分配时隙

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