2.1 物理层的基本概念

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即： 

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、固定和锁定装置等等。

电气特性    指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

功能特性    指明某条线上出现的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。 

2.2.1数据通信系统的模型

数据(data)——运送消息的实体。

信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。 

“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。 

“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。 

码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

 

2.2.2  有关信号的几个基本概念

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。

双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。 

基带信号和带通信号

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的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直流分量。因此必须对基带信号进行

调制(modulation)。

带通信号——把基带信号经过

载波调制后，把信号的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）。

 

最基本的二元制调制方法有以下几种：

• 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。  

2.2.3  信道的极限容量 

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种

失真以及带来多种干扰。 

码元传输的

速率越高，或信号传输的

距离越远，在信道的输出端的波形的

失真就越严重。

 

信道能够通过的频率范围

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)的

奈氏准则。给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。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现

码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

如果信道的

频带越宽，也就是能够通过的信号

高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现

码间串扰。

  

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。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为

        C = W log2(1+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 为信道内部的高斯噪声功率。  

香农公式表明 

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。 

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办法来实现无差错的传输。 

若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。

实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。  

attention：

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是

用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。 

 

2.3 物理层下面的传输媒体

2.3.1 导向传输媒体（不重要）

双绞线

屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)

无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair) 

同轴电缆

50  同轴电缆

75  同轴电缆

光缆 

2.3.2 非导向传输媒体（不重要） 

无线传输所使用的频段很广。

短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

微波在空间主要是直线传播。 

地面微波接力通信

卫星通信  

2.4  信道复用技术

2.4.1  频分复用、时分复用和统计时分复用 

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。 

 

频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing) 

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）。 

时分复用TDM(Time Division Multiplexing) 

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。

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。 

2.4.3   码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)  

常用的名词是

码分多址 CDMA  (Code Division Multiple Access)。

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 m bit 码片序列。

如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。

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。

发送比特 1 时，就发送序列 00011011，

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)  

CDMA 的重要特点   

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 

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： 

举例：

令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。 

把向量 S 和 T 的各分量值代入式就可看出这两个码片序列是正交的。 

 

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 。

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。 

CDMA 的工作原理