2.1数据通信的基础知识
传输媒体接口的特性：机械特性，电气特性，功能特性，过程特性
机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
功能特性：指明某条线上出现某一电平的电压表示何种意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据：运送消息的实体
信号：数据的电气或电磁表现。
“模拟的（analogous）”：代表消息参数的取值是连续的。
“数字的（digital）”：代表消息参数的取值是离散的。
码元（code）：在使用时间域（或简称为时域）的波形表显示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
单向通信（单工通信）：只能有一方的通信而没有反方向的交互。比如广播播音。
半双工通信（双向交替通信）：通信的双方都可以发送信息，但是双方不能同时发送（也不能同时接收）。
双向交替通信（双工通信）：通信的双方可以同时发送和接受信息。发送。
基带信号（baseband）及其调制
基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号。像计算机输出代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或者直流分量。因此必须对基带信号进行调制。
调制
（1）基带调制：编码
（2）通带调制：调频，调幅，调相
几种基本调制方法：
带通信号---把基带信号经过载波调制后，把信号频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
最基本的二元调制方法：
调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
信道的极限容量
（1）奈氏准则
1924年，奈奎斯特推出奈氏准则，给出假定情况下，为避免码间串扰，码元的传输速率上限值。
奈氏准则：
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
W是理想低通信道①的带宽,单位为赫(Hz);M是指离散电平数目，即共有几种码元；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。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）码间串扰
信道的频幅越宽，能通过信道的高频分量就越多，可以用更高的速率传送码元而不出现码间干扰。
信噪比：香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限，无差错的信息传输速率。
信道的极限传输速率C可表打为C=Wlog2（1+S/N） b/s
W为信道的宽度（以Hz为单位）S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率
2.2物理层下的传输媒体
导引型传输媒体（有线媒体，有实体）：
1.双绞线
无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）
屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair）
2.同轴电缆
50Ω同轴电缆（原来的局域网）
75Ω同轴电缆（有线电视网）
3.光缆
工作原理：
调整入射角，使得光线在光纤中以全反射传输。
单模光纤：
光源直接照射，不进行反射，适合长距离传输。
多模光纤：
调整不同光源的入射角达到多传输信息。传输距离近，可携带信息多。
非导引型传输媒体（无实体）：
1.局域网无线传输（WIFI）。常用 ISM频段：（常用的2.4GHz ~5.8Ghz）
2.短波通信主要是靠电离层的反射，但短波通信的通信质量较差。
3.微波在空间中主要是直线传播。（1.地面微波接力通信；2.卫星通信）
2.3信道复用技术
多路复用技术
1.频分复用FDM（Frequency Division Multiplexing）
原理：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)。
2.时分复用TDM（Time Division Multiplexing）
原理：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。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现(其周期就是TDM帧的长度)。 TDM信号也称为等时(isochronous)信号。 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。
时分复用可能会造成线路资源的浪费 使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。只有在用户需要是才会使用，不使用时信道未被使用
统计时分复用（Statistic TMD）：
原理：对于空闲时期没有分配给固定用户，在用户需要使用时才分配信道，提高信道复用率，节约了资源
3.波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）
原理：光的频分复用。根据光的波长划分给用户。
码分复用（Code Division Multiplexing）
常用名词码分多址（CDMA）：Code Division Multiplexing Access
原理：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。这种系统发送的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)。
码片序列（chip sequence）：
每个站被指派一个唯一的mbit码片序列。
（1）如发送比特1，则发送自己的m bit码片序列。
（2）如发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。
例如，S站的8 bit码片序列是00011011。
（1）发送比特1时，就发送序列00011011, （2）发送比特0时，就发送序列11100100。 S站的码片序列: (-1-1-1 +1 +1-1 +1 +1)
0用-1表示；1用+1表示
CDMA特点：
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)。在实用的系统中是使用伪随机码序列。
码片序列的正交关系：
（1）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的规格化内积(inner product)都是0；（2）任何一个码片向量和该码片向量自己的规格 化内积都是1；（3）一个码片向量和该码片反码的向量的规格 化内积值是-1。
数字传输系统：
脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。由于历史上的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM (简称为工1)和欧洲的30路PCM(简称为E1)。我国采用的是欧洲的E1标准。1E1的速率是2.048 Mb/s，而T1的速率是1.544 Mb/s。当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法。
旧的数字传输系统存在的缺点：（1）速率标准不统一。国际范围的高速数据传输很难实现。（2）不是同步传输。为了节约经费，采用准同步。
为了实现同步传输，美国着手研究，有了同步光光纤网：同步光纤网 SONET (Synchronous Optical Network)的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟。第1级同步传送信号STS-1 (Synchronous Transport Signal)的传输速率是51.84 Mb/s。光信号则称为第1级光载波OC- OC表示Optical Carrier。
同步光纤网的基础上，有了同步数字系列SDH：
ITU-T以美国标准SONET为基础，制订出国际标准同步数字系列SDH (Synchronous Digital Hierarchy)。 一般可认为SDH与SONET是同义词。SDH的基本速率为155.52 Mb/s，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。
2.4宽带接入技术
ADSL技术
ADSL技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。 标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1 MHz。 ADSL技术就把0~4 kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用 DSL就是数字用户线(Digital Subscriber Line )的缩写。
DSL类型：
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line): 非 对称数字用户线 RADSL (Rate-Adaptive DSL):速率自适应DSL，是ADSL的一-个子集，可自动调节线路速率) HDSL (High speed DSL):高速数字用户线 SDSL (Single-line DSL): 1对线的数字用户线 VDSL (Very high speed DSL):甚高速数字用户线
ADSL的极限传输距离 ADSL的极限传输距离与数据率以及用户线的线径都有很大的关系(用户线越细，信号传输时的衰减就越大)，而所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关。 例如，0.5 毫米线径的用户线，传输速率为1.5~ 2.0 Mb/s时可传送5.5公里，但当传输速率提高到6.1 Mb/s时，传输距离就缩短为3.7公 里。 如果把用户线的线径减小到0.4毫米，那么在6.1 Mb/s的传输速率下就只能传送2.7公里。
ADSL的特点： 上行和下行带宽做成不对称的。 上行指从用户到ISP，而下行指从ISP到用户。 ADSL在用户线(铜线)的两端各安装-一个ADSL调制解调器。 我国目前采用的方案是离散多音调DMT(Discrete Multi-Tone)调制技术。这里的“多音调”就是“多载波”或“多子信道”的意思。
DMT技术： DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于.上行信道，而249个子信道用于下行信道。
每个子信道占据4 kHz带宽(严格讲是4.3125 kHz)，并使用不同的载波( 即不同的音调)进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。
ADSL的数据率： 由于用户线的具体条件往往相差很大(距离、线径、受到相邻用户线的干扰程度等都不同)，因此ADSL采用自适应调制技术使用户线能够传送尽可能高的数据率。 当ADSL启动时，用户线两端的ADSL调制解调器就测试可用的频率各子信道受到的干扰情况，以及在每一个频率.上测试信号的传输质量。 ADSL不能保证固定的数据率。对于质量很差的用户线甚至无法开通ADSL。 通常下行数据率在32 kb/s到6.4 Mb/s之间，而上行数据率在32 kb/s到640 kb/s之间。
第二代ADSL
ADSL2 (G.992.3 和G.992.4) ADSL2+ (G.992.5) 通过提高调制效率得到了更高的数据率。例如，ADSL2要求至少应支持下行8 Mb/s、.上行 800kb/s的速率。而ADSL2+则将频谱范围从1.1 MHz扩展至2.2 MHz，下行速率可达16 Mb/s (最大传输速率可25Mb/s)，而上行速率可达800kb/s。
采用了无缝速率自适应技术SRA (Seamless Rate Adaptation)，可在运营中不中断通信和不产生误码的情况下，自适应地调整数据率。
改善了线路质量评测和故障定位功能，这对提高网络的运行维护水平具有非常重要的意义。
光纤同轴混合网（HFC网）
HFC网是在目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网。HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务。现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造。
(1) HFC网的主干线路采用光纤HFC网将原CATV网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。模拟光纤从头端连接到光纤结点(fiber node)，即光分配结点ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
（2）HFC网采用节点体系结构（主干光纤，分支同轴线）
(3) HFC网具有比CATV网更宽的频谱，且具有双向传输功能
(4)每个家庭要安装一-个用户接口盒 用户接口盒UIB (User Interface Box)要提供三种连接，即:使用同轴电缆连接到机顶盒(set-top box),然后再连接到用户的电视机。 使用双绞线连接到用户的电话机。 使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。
电缆调制解调器(cable modem) 电缆调制解调器是为HFC网而使用的调制解调器。 电缆调制解调器最大的特点就是传输速率高。其下行速率一般在3~10 Mb/s之间，最高可达;30 Mb/s，而. 上行速率一般为0.2~2 Mb/s，最高可达10 Mb/s。 电缆调制解调器比在普通电话线.上使用的调制解调器要复杂得多，并且不是成对使用，而是只安装在用户端。
FTTx技术
FTTx (光纤到.......也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母x可代表不同意思。例如:光纤到户FTTH (Fiber To The Home):光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。
光纤到大楼FTTB (Fiber To The Building):光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
光纤到路边FTTC (Fiber To The Curb):从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
无源光配线网的组成：
PON(Passive Optical Network)无源光纤网络
章节测试题
1 下列哪个对物理层主要功能的叙述更为准确 ( A)。
- A.物理层的主要任务是透明地传输比特流。
- B.物理层就是指具体的传输媒体。
- C.物理层规定媒体连接接口的形状和尺寸。
- D.物理层主要功能是实现对信号的编码。
2 基带传输中广泛使用曼切斯特编码的原因是 (B )。
- A.该编码将每个二进制位与具体的信号波形进行对应
- B.该编码具有自同步能力
- C.该编码可以更好地适应载波传输
- D.该编码含有更多地比特信息
3 奈奎斯特准则 (C )。
- A.给出了一个信道上信息传输速率的上限
- B.指出码元之间可能产生串扰
- C.码元传输速率的上限
- D.码元中蕴含的信息上限
4 香农定理给出了信息传输速率的上限，要提高信息传输的速率 (C) 。
- A.必须提高传输线路的带宽
- B.必须提高传输线路的信噪比
- C.或者提高传输线路的带宽，或者提高信噪比
- D.必须同时提高传输线路的带宽和信噪比
5 多路复用技术中TDM与STDM的主要区别是 ( B)。
- A.是否对时隙进行统计
- B.是否将固定时隙分配给指定用户
- C.是否可重复使用某个时隙
- D.是否能够利用整个信道带宽
6 有线接入网中ADSL技术和HFC技术的主要不同是 (D ) 。
- A.一个是电话线，一个是闭路线
- B.一个使用调制解调器，一个不使用调制解调器
- C.一个采用光纤，一个没有用光纤
- D.一个采用点对点信道，一个采用共享信道
7 假设某信道受奈奎斯特准则限制的最高码元速率为1000码元/秒。采用振幅调制，把码元划分成 4个不同等级传送，可以获得的最高数据速率为 (C )。
- A.500b/s
- B.1000b/s
- C.2000b/s
- D.4000b/s
8 假设用4kHz的电话信道传送64kb/s的数据，则这个信道应具有多高的信噪比是 ( B)。
- A.60dB
- B.48.2dB
- C.64kdB
- D.64.2dB
9
假定一种双绞线的衰减是0.5dB/km，若码间串扰允许的最大衰减为20dB，这种线的有效传输距离是 ( C)。
- A.10km
- B.20km
- C.40km
- D.28.6km
10 假设光在光纤中的传播速度为2*10^8m/s，工作在1000nm~2000nm之间的光波的频带宽度是（ D）。
- A.1MHz
- B.15THz
- C.10THz
- D.100THz