[第一節(jié): 信息傳遞的媒介-信道]

1.1 信道傳輸過程

簡(jiǎn)介

• 物理層信息傳遞的本質(zhì)：

  ??

  

  信道傳遞信息.png

  
  

  以下將按照此圖來展開敘述。

1.2 信道

信道的容量

• 基本概念

  ??我們假定各位物理都很棒，對(duì)于交流電的傳輸有一定的認(rèn)知，不做贅述。
  　　信道：一般指某一方向傳送信息的媒介。而信息又分為模擬信息和數(shù)字信息。
  　　帶寬：能夠有效通過該信道的信號(hào)的最大頻帶寬度。根據(jù)傳送信息的不同分為模擬帶寬和數(shù)字帶寬。
  　　模擬帶寬：對(duì)于模擬帶寬又稱為頻寬，信道能夠通過的最高頻率-信道能夠通過的最低頻率。兩者都是由信道的物理特性決定的。當(dāng)組成信道的電路制成了，信道的帶寬就決定了。為了使信號(hào)的傳輸?shù)氖д嫘⌒?，信道要有足夠的帶寬?br/>　　數(shù)字帶寬：帶寬是指單位時(shí)間內(nèi)鏈路能夠通過的數(shù)據(jù)量。數(shù)字信號(hào)的傳輸是通過模擬信號(hào)的調(diào)制完成的，為了與模擬帶寬進(jìn)行區(qū)分，數(shù)字信道的帶寬一般直接用波特率或符號(hào)率來描述。
  　　碼元：在數(shù)字通信中常常用時(shí)間間隔相同的符號(hào)來表示一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字，這樣的時(shí)間間隔內(nèi)的信號(hào)稱為(二進(jìn)制）碼元。 而這個(gè)間隔被稱為碼元長(zhǎng)度。當(dāng)碼元的離散狀態(tài)有大于2個(gè)時(shí)（如M大于2個(gè)） 時(shí)，此時(shí)碼元為M進(jìn)制碼元。（謝希仁版《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)》中對(duì)碼元的定義解讀起來有點(diǎn)費(fèi)勁，以上定義較容易理解）

  注意：一個(gè)碼元攜帶的信息量不是固定不變的，而是由調(diào)制方式和編碼方式?jīng)Q定的。

  ??碼元速率：表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即通過信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。
  　　在使用二進(jìn)制編碼時(shí)，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態(tài)而另一種代表1狀態(tài)。
  　　碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信?hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質(zhì)量越差，在接收端的波形的失真就越嚴(yán)重。
  

  

  數(shù)字信號(hào)通過實(shí)際的信道.png

  
  　　這樣在接收端收到的波形就失去了碼元之間的清晰界限，這種現(xiàn)象叫做碼間串?dāng)_；
  　　根據(jù)奈氏準(zhǔn)則：在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?，傳輸速率超過此上限，就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的碼間串?dāng)_問題，使接收端對(duì)碼元的識(shí)別成為不可能。
  　　如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號(hào)高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現(xiàn)碼間串?dāng)_。信道的帶寬決定了信道中能不失真的傳輸脈序列的最高速率。
  　　這也就解釋了為什么網(wǎng)絡(luò)帶寬越大，傳輸速率越快了。

• 信噪比：

  ??噪聲：干擾信號(hào)傳輸?shù)哪芰繄?chǎng)，稱為噪音。這種能量場(chǎng)的產(chǎn)生源可以來自內(nèi)部系統(tǒng)，也可以產(chǎn)生于外部環(huán)境。噪聲存在于所有的電子設(shè)備和通信信道中。此處不再贅述（求知欲強(qiáng)的可以自行查詢資料學(xué)習(xí)），只要記住即可。
  　　香農(nóng)公式表明：信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率就越高。
  　　所以，對(duì)于頻帶寬度已經(jīng)確定了的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元的傳輸速率已經(jīng)達(dá)到了上限值，如果還想要提高信息的傳輸速率，那就需要使用編碼的方法，讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量。

  接下來的知識(shí)點(diǎn)較難理解需要對(duì)前面的概念鋪墊理解的清楚。
  上圖演示了基帶信號(hào)和三中對(duì)應(yīng)的調(diào)制信號(hào)波形圖，首先了解一下什么是基帶信號(hào)？
  　　基帶信號(hào)：來自信源的基本頻帶信號(hào)。
  　　基帶信號(hào)往往包含較多低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻或直流分量，為了解決這個(gè)問題，就需要對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)。調(diào)制可分為兩大類:
  　　一類是僅僅對(duì)基帶信號(hào)的波形進(jìn)行變換，使它能夠與信道特性相適應(yīng)。變換后的信號(hào)仍然是基帶信號(hào)。這類調(diào)制稱為基帶調(diào)制。由于這種基帶調(diào)制是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一種形式的數(shù)字信號(hào)，因此大家更愿意把這種過程稱為編碼(coding)。如下圖：
  　　

  

  數(shù)字信號(hào)常用編碼方式.png

  
  　　另一類調(diào)制則需要使用載波(carrier)進(jìn)行調(diào)制，把基帶信號(hào)的頻率范圍搬移到較高的頻段，并轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，這樣就能夠更好地在模擬信道中傳輸。經(jīng)過載波調(diào)制后的信號(hào)稱為帶通信號(hào)(即僅在一段頻率范圍內(nèi)能夠通過信道），而使用載波的調(diào)制稱為帶通調(diào)制。如下圖：
  

  

  基本調(diào)制方法.png

  補(bǔ)充完了養(yǎng)分我們回到之前的問題：如何讓每一個(gè)碼元攜帶更多比特的信息量？
  舉個(gè)例子：假定我們的基帶信號(hào)為：010101010101
  　　如果直接傳送，那么一個(gè)碼元寫代碼的信息量就是1bit，要么是0，要么是1。現(xiàn)在我們將三個(gè)比特編為一組：010，101，010，101。
  　　三個(gè)比特有八種不同的排列，對(duì)此我們可以采用帶通調(diào)制中的任意一種進(jìn)行調(diào)制，假設(shè)我們用相位調(diào)制，那么相位φ₀=000，φ₁=001，φ₂=010...
  　　那么原來使用12個(gè)碼元來表示的信息，現(xiàn)在只需要4個(gè)碼元即可表示，效率提升了三倍。

[第二節(jié): 現(xiàn)實(shí)中的物理媒介]

2.1 簡(jiǎn)介

基本概念

• 傳輸媒體：

  ??作為發(fā)送器和接收器之間的物理通路，傳輸媒體是必不可少的部分。共分為兩大類：
  　　導(dǎo)引型傳輸媒體：電磁波被導(dǎo)引沿著固體媒介（銅或光纖）傳播。

  ??雙絞線：由兩條相互絕緣的導(dǎo)線按照一定的規(guī)格互相纏繞（一般以順時(shí)針纏繞）在一起而制成的一種通用配線。雙絞線過去主要是用來傳輸模擬信號(hào)的，但現(xiàn)在同樣適用于數(shù)字信號(hào)的傳輸。

  ??原理：把兩根絕緣的銅導(dǎo)線按一定規(guī)格互相絞在一起，可降低信號(hào)干擾的程度，每一根導(dǎo)線在傳輸中輻射的電波會(huì)被另一根線上發(fā)出的電波抵消。其中外皮所包的導(dǎo)線兩兩相絞，形成雙絞線對(duì)。

  ??在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，雙絞線被大量應(yīng)用。
  

  

  Cat-6 EthernetCableGreen.jpg

  
  　　不同規(guī)格的雙絞線對(duì)應(yīng)著不同的傳輸頻率等特性，因功能的不同，分為四組雙絞線，分組規(guī)則如下圖：
  　　

  

  雙絞線.png

  
  1?輸出數(shù)據(jù)?( )?2?輸出數(shù)據(jù)?(-)?3?輸入數(shù)據(jù)?( )?4?保留為電話使用?5?保留為電話使用?6?輸入數(shù)據(jù)?(-)?7?保留為電話使用?8?保留為電話使用
  可以看出，雖然雙絞線有8根芯線，但是在網(wǎng)絡(luò)傳輸中真正用到的，只有1、2、3、6四根。
  ??同軸電纜：同軸電纜由內(nèi)導(dǎo)體銅質(zhì)芯線（單股實(shí)心線或多股絞合線）、絕緣層、網(wǎng)狀編織的外導(dǎo)體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護(hù)塑料外層所組成。
  　　短距離的同軸電纜一般也會(huì)用于家用影音器材或是業(yè)余無線電設(shè)備中。此外，也曾經(jīng)被廣泛使用在以太網(wǎng)的連接，直至被雙絞線所取代。
  　　長(zhǎng)距離的同軸電纜常用作電臺(tái)或電視臺(tái)網(wǎng)絡(luò)中的電視信號(hào)線。未來有被其它高科技器材漸漸取代的趨勢(shì)，如：光纖、T1、人造衛(wèi)星等。但由于同軸電纜相對(duì)便宜且早已鋪設(shè)完成，因而沿用至今。
  ??光纜：包含光纖的線纜稱為光纜。
  ??光導(dǎo)纖維，簡(jiǎn)稱光纖，是一種由玻璃或塑料制成的纖維，利用光在這些纖維中以全內(nèi)反射原理傳輸?shù)墓鈧鲗?dǎo)工具。分為單模光纖和多模光纖。
  　　根據(jù)最新的研究結(jié)果表明：光既是一種高頻的電磁波，又是一種由稱為的基本粒子組成的粒子流。
  光同時(shí)具有粒子性與波動(dòng)性。因?yàn)榫哂胁▌?dòng)性，所以這就是為什么光可以作為信號(hào)傳播的載體。

  

  多模光纖（a）和單模光纖（b）的比較.png

  
  　　具體單模和多模光纖的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用場(chǎng)景不做過多闡述，還有一種叫做架空明線（銅線或者鐵線）的傳輸媒體，因其劣勢(shì)較大以及很少使用，許多國(guó)家以及停止了鋪設(shè)，了解即可。
  ??
  非導(dǎo)引型傳輸媒體：自由空間，表現(xiàn)為無限傳輸。
  ??這部分其實(shí)就是無線電傳輸，通過不同波段的頻率來傳輸信號(hào)，重點(diǎn)是要注意發(fā)送方的設(shè)備頻段要和接收方的一致，比如A與B通信，A使用的是2.4GHz的工作頻率，那么B接收也要使用該頻率的設(shè)備接收，如果使用了其他頻段是接收不到的。

  

  電信領(lǐng)域使用的電磁波的頻譜.png

  
  下圖給出了美國(guó)的ISM頻段，現(xiàn)在的無線局域網(wǎng)就使用其中的2.4GHz和5.8GHz頻段。ISM是Industrial，Scientific,andMedical(工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)藥）的縮寫，即所謂的“工、科、醫(yī)頻段”。各國(guó)的ISM標(biāo)準(zhǔn)有可能略有差別。

  

  無線局域網(wǎng)使用的ISM頻段.png

  ??無線傳輸有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，可以自行查閱資料了解。

[第三節(jié): 信道復(fù)用]

3.1 什么是信道復(fù)用

基本概念

• 基本概念：

  ??信道復(fù)用通常表示在一個(gè)信道上傳輸多路信號(hào)或數(shù)據(jù)流的過程和技術(shù)。
  　　需要注意的是，還有一個(gè)名稱叫做多路復(fù)用，其實(shí)兩個(gè)說的是同一個(gè)東西，多路復(fù)用可以理解為：多路信號(hào)或數(shù)據(jù)量重復(fù)使用一個(gè)信道。
  　　信道復(fù)用或者多路復(fù)用的概念應(yīng)用非常廣泛，從千軍萬馬過獨(dú)木橋，到網(wǎng)絡(luò)通信，NIO等等其實(shí)都是這個(gè)概念的應(yīng)用。

3.2 為什么需要信道復(fù)用

• 解答：

  ??首先讓我們來看一下不適用信道復(fù)用技術(shù)的信息傳輸，如下圖：
  

  　　

  

  使用單獨(dú)信道.png

  
  　　再來看一下信道復(fù)用以后的信息傳輸情況，如下圖：
  　　

  

  使用共享信道.png

  
  　　從這兩個(gè)圖的對(duì)比可以看得出，信道復(fù)用給我們最直觀的感受就是信道少了，雖然信道少了，但是并沒有節(jié)省多少成本，因?yàn)橐獙?shí)現(xiàn)多路復(fù)用需要更大的帶寬，以及復(fù)用器和分用器等；當(dāng)然了，如果復(fù)用的信道數(shù)量很大，那就很值了，這需要一個(gè)閾值來調(diào)控。顯然顯示生活中的用戶量已經(jīng)及其龐大了，那么共享信道就很有必要了。
  　　其實(shí)復(fù)用的本質(zhì)就是為了提升信道利用率和減少資源的浪費(fèi)而產(chǎn)生的技術(shù)，知道了原因，接下來看一下對(duì)應(yīng)的解決辦法。

3.3 信道復(fù)用詳解

• 概述：

  ??多路復(fù)用根據(jù)使用的技術(shù)可以分為時(shí)分復(fù)用（TDM，Time Division Multiplexing）、頻分復(fù)用（FDM，F(xiàn)requency Division Multiplexing）、空分復(fù)用（SDM，Space Division Multiplexing）和碼分復(fù)用（CDM，Code Division Multiplexing）。
  　　信道復(fù)用技術(shù)的實(shí)質(zhì)是，將一個(gè)區(qū)域的多個(gè)用戶數(shù)據(jù)通過發(fā)送多路復(fù)用器進(jìn)行匯集，然后將匯集后的數(shù)據(jù)通過一個(gè)物理線路進(jìn)行傳送，接收多路復(fù)用器再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，分發(fā)到多個(gè)用戶。
  　　技術(shù)實(shí)現(xiàn)是把多個(gè)低速信道組合成一個(gè)高速信道的技術(shù)，它可以有效的提高數(shù)據(jù)鏈路的利用率，從而使得一條高速的主干鏈路同時(shí)為多條低速的接入鏈路提供服務(wù)，也就是使得網(wǎng)絡(luò)干線可以同時(shí)運(yùn)載大量的語音和數(shù)據(jù)傳輸。

  ??解讀：低速信道可以理解為普通的雙絞線，也就是我們平時(shí)使用的網(wǎng)線，這種網(wǎng)線的特點(diǎn)是傳輸速率低（相對(duì)于主干線，到單個(gè)用戶是完全夠用的。），價(jià)格低廉，適合單用戶使用；高速信道也就是主干線，是運(yùn)營(yíng)商提供的，可以理解為我們所說的光纜。
  　　注意：所謂高速信道和低速信道只是相對(duì)的，并沒有一定的解析，現(xiàn)在的低速信道放在過去可能就是高速信道。

• 時(shí)分復(fù)用：

  ??高速信道根據(jù)時(shí)間劃分成多個(gè)等長(zhǎng)的時(shí)隙供多個(gè)低速信道輪流使用，在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)，只能有一個(gè)低速信道占有高速信道的資源。
  　　每個(gè)時(shí)隙叫做時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀)。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。如下圖（A、B、C、D表示四個(gè)不同的用戶）：
  

  　　

  

  時(shí)分復(fù)用.png

  
  　　這個(gè)圖只是展示一下實(shí)現(xiàn)思路，不容易看出時(shí)分復(fù)用的缺陷，再來一張圖（小寫字母分別表示對(duì)應(yīng)的大寫字母代表的用戶的傳輸資源）：
  　　

  

  時(shí)分復(fù)用造成資源浪費(fèi).png

  
  

  　　前面說過，每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。所以，在同一時(shí)刻，可能有的用戶并沒有進(jìn)行資源的傳輸，這就造成了信道的利用率不高。

  ??為了解決這個(gè)問題，又出現(xiàn)了統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用（STDM，Statistic Time Division Multiplexing），先上個(gè)原理圖：
  

  

  統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用工作原理.png

  
  　　從上圖可以看出傳輸鏈路多了一個(gè)集中器。集中器又叫做數(shù)據(jù)選擇器，主要用于增加一定量的時(shí)間和帶寬內(nèi)的可以通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)量，集中器使多個(gè)信號(hào)共享一個(gè)設(shè)備或資源。
  　　集中器可以按照順序?qū)⒂脩舭l(fā)送的數(shù)據(jù)掃描進(jìn)緩存，然后放入STDM幀中，當(dāng)一個(gè)幀放滿了就發(fā)送。所以STDM幀并不是按照時(shí)隙，而是按需分配。集中器能正常工作的前提是假定各用戶都是間歇性工作的，因?yàn)槿绻麄€(gè)用戶都是不間斷的發(fā)送數(shù)據(jù)，那么緩存就可能會(huì)溢出。STDM中還有其他的一些利弊，如有需要可自行查閱資料學(xué)習(xí)。

• 頻分復(fù)用：

  ??多路復(fù)用器將各個(gè)低速信道的信號(hào)通過調(diào)制分布到高速信道的各個(gè)頻段，然后進(jìn)行疊加，形成高速信道上傳輸?shù)男盘?hào)，在接收端，分路器一般通過帶通濾波器分離各個(gè)頻段，然后轉(zhuǎn)發(fā)給對(duì)應(yīng)的低速信道。
  　　用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶?？梢婎l分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。
  

  　　

  

  頻分復(fù)用.png

  ??在光通信領(lǐng)域，根據(jù)光波波長(zhǎng)的不同進(jìn)行多路復(fù)用的技術(shù)被稱為波分復(fù)用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）。

  
  

  

  波分復(fù)用的概念.png

• 空分復(fù)用：

  ??使用多天線技術(shù)，通過波束成形技術(shù)將信號(hào)對(duì)準(zhǔn)特定的發(fā)射源或接收站進(jìn)行接收或發(fā)送。通過空分復(fù)用，多個(gè)發(fā)射源或者接受站可以同時(shí)使用同一個(gè)頻率。在實(shí)際的通信工程里，空分復(fù)用通常和其它復(fù)用技術(shù)結(jié)合使用。

• 碼分復(fù)用：

  ??采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，各個(gè)低速信道可以在同一個(gè)地方同時(shí)使用相同的頻率進(jìn)行通信，不同的低速信道通過采用不同的地址碼復(fù)用整個(gè)頻段。
  　　碼分復(fù)用CDM(Code Division Multiplexing)是另一種共享信道的方法。實(shí)際上，人們更常用的名詞是碼分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。每一個(gè)用戶可以在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信。由于各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此各用戶之間不會(huì)造成干擾。
  　　插播一組思維跳躍：這種思路可以想到HTTPS傳輸協(xié)議中，用戶在使用對(duì)稱加密算法傳輸數(shù)據(jù)階段獲取到的加密秘鑰也是不一樣的。

3.4 總結(jié)

• 總結(jié)

  ??本文概述了物理層的信號(hào)是如何傳輸?shù)?，只是概述，其中的很多知識(shí)點(diǎn)都是點(diǎn)到為止，感興趣的同學(xué)可以自行查詢資料進(jìn)行擴(kuò)展。
  　　這部分的知識(shí)相對(duì)來講比較晦澀，需要用心來看。理論知識(shí)都如此，更何況到真正的工業(yè)化生產(chǎn)。古人云：讀萬卷書，行萬里路。我們新一代的同學(xué)讀了不少書，但是真正的實(shí)驗(yàn)科學(xué)卻沒有進(jìn)行多少，所以很多書不容易自學(xué)，希望在以后的學(xué)習(xí)中，也能多動(dòng)動(dòng)手。
  　　本文知識(shí)點(diǎn)如有錯(cuò)誤的地方，望指出。

參考資料

• 《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第7版）》-謝希仁