物理层：所谓信号到底是如何传输的？

liang1234_ 2019-04-13

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[第一节: 信息传递的媒介-信道]

1.1 信道传输过程

简介

物理层信息传递的本质：

信道传递信息.png

以下将按照此图来展开叙述。

1.2 信道

信道的容量

基本概念
我们假定各位物理都很棒，对于交流电的传输有一定的认知，不做赘述。
　　信道：一般指某一方向传送信息的媒介。而信息又分为模拟信息和数字信息。
　　带宽：能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。根据传送信息的不同分为模拟带宽和数字带宽。
　　模拟带宽：对于模拟带宽又称为频宽，信道能够通过的最高频率-信道能够通过的最低频率。两者都是由信道的物理特性决定的。当组成信道的电路制成了，信道的带宽就决定了。为了使信号的传输的失真小些，信道要有足够的带宽。
　　数字带宽：带宽是指单位时间内链路能够通过的数据量。数字信号的传输是通过模拟信号的调制完成的，为了与模拟带宽进行区分，数字信道的带宽一般直接用波特率或符号率来描述。
　　码元：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元。而这个间隔被称为码元长度。当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个）时，此时码元为M进制码元。（谢希仁版《计算机网络》中对码元的定义解读起来有点费劲，以上定义较容易理解）
注意：一个码元携带的信息量不是固定不变的，而是由调制方式和编码方式决定的。
码元速率：表示单位时间内信号波形的变换次数，即通过信道传输的码元个数。
　　在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。
　　码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
数字信号通过实际的信道.png

　　这样在接收端收到的波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫做码间串扰；
　　根据奈氏准则：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的识别成为不可能。
　　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。信道的带宽决定了信道中能不失真的传输脉序列的最高速率。
　　这也就解释了为什么网络带宽越大，传输速率越快了。
信噪比：
噪声：干扰信号传输的能量场，称为噪音。这种能量场的产生源可以来自内部系统，也可以产生于外部环境。噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。此处不再赘述（求知欲强的可以自行查询资料学习），只要记住即可。
　　香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
　　所以，对于频带宽度已经确定了的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元的传输速率已经达到了上限值，如果还想要提高信息的传输速率，那就需要使用编码的方法，让每一个码元携带更多比特的信息量。
接下来的知识点较难理解需要对前面的概念铺垫理解的清楚。
上图演示了基带信号和三中对应的调制信号波形图，首先了解一下什么是基带信号？
　　基带信号：来自信源的基本频带信号。
　　基带信号往往包含较多低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频或直流分量，为了解决这个问题，就需要对基带信号进行解调。调制可分为两大类:
　　一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。如下图：
　　
数字信号常用编码方式.png

　　另一类调制则需要使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。如下图：
基本调制方法.png
补充完了养分我们回到之前的问题：如何让每一个码元携带更多比特的信息量？
举个例子：假定我们的基带信号为：010101010101
　　如果直接传送，那么一个码元写代码的信息量就是1bit，要么是0，要么是1。现在我们将三个比特编为一组：010，101，010，101。
　　三个比特有八种不同的排列，对此我们可以采用带通调制中的任意一种进行调制，假设我们用相位调制，那么相位φ₀=000，φ₁=001，φ₂=010...
　　那么原来使用12个码元来表示的信息，现在只需要4个码元即可表示，效率提升了三倍。

[第二节: 现实中的物理媒介]

2.1 简介

基本概念

传输媒体：
作为发送器和接收器之间的物理通路，传输媒体是必不可少的部分。共分为两大类：
　　导引型传输媒体：电磁波被导引沿着固体媒介（铜或光纤）传播。
双绞线：由两条相互绝缘的导线按照一定的规格互相缠绕（一般以顺时针缠绕）在一起而制成的一种通用配线。双绞线过去主要是用来传输模拟信号的，但现在同样适用于数字信号的传输。
原理：把两根绝缘的铜导线按一定规格互相绞在一起，可降低信号干扰的程度，每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消。其中外皮所包的导线两两相绞，形成双绞线对。
在计算机网络中，双绞线被大量应用。
Cat-6 EthernetCableGreen.jpg

　　不同规格的双绞线对应着不同的传输频率等特性，因功能的不同，分为四组双绞线，分组规则如下图：
　　
双绞线.png

1 输出数据 ( ) 2 输出数据 (-) 3 输入数据 ( ) 4 保留为电话使用 5 保留为电话使用 6 输入数据 (-) 7 保留为电话使用 8 保留为电话使用
可以看出，虽然双绞线有8根芯线，但是在网络传输中真正用到的，只有1、2、3、6四根。
同轴电缆：同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。
　　短距离的同轴电缆一般也会用于家用影音器材或是业余无线电设备中。此外，也曾经被广泛使用在以太网的连接，直至被双绞线所取代。
　　长距离的同轴电缆常用作电台或电视台网络中的电视信号线。未来有被其它高科技器材渐渐取代的趋势，如：光纤、T1、人造卫星等。但由于同轴电缆相对便宜且早已铺设完成，因而沿用至今。
光缆：包含光纤的线缆称为光缆。
光导纤维，简称光纤，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，利用光在这些纤维中以全内反射原理传输的光传导工具。分为单模光纤和多模光纤。
　　根据最新的研究结果表明：光既是一种高频的电磁波，又是一种由称为的基本粒子组成的粒子流。
光同时具有粒子性与波动性。因为具有波动性，所以这就是为什么光可以作为信号传播的载体。
多模光纤（a）和单模光纤（b）的比较.png

　　具体单模和多模光纤的优缺点以及应用场景不做过多阐述，还有一种叫做架空明线（铜线或者铁线）的传输媒体，因其劣势较大以及很少使用，许多国家以及停止了铺设，了解即可。

非导引型传输媒体：自由空间，表现为无限传输。
这部分其实就是无线电传输，通过不同波段的频率来传输信号，重点是要注意发送方的设备频段要和接收方的一致，比如A与B通信，A使用的是2.4GHz的工作频率，那么B接收也要使用该频率的设备接收，如果使用了其他频段是接收不到的。
电信领域使用的电磁波的频谱.png

下图给出了美国的ISM频段，现在的无线局域网就使用其中的2.4GHz和5.8GHz频段。ISM是Industrial，Scientific,andMedical(工业、科学与医药）的缩写，即所谓的“工、科、医频段”。各国的ISM标准有可能略有差别。
无线局域网使用的ISM频段.png
无线传输有优点也有缺点，可以自行查阅资料了解。

[第三节: 信道复用]

3.1 什么是信道复用

基本概念

基本概念：
信道复用通常表示在一个信道上传输多路信号或数据流的过程和技术。
　　需要注意的是，还有一个名称叫做多路复用，其实两个说的是同一个东西，多路复用可以理解为：多路信号或数据量重复使用一个信道。
　　信道复用或者多路复用的概念应用非常广泛，从千军万马过独木桥，到网络通信，NIO等等其实都是这个概念的应用。

3.2 为什么需要信道复用

解答：
首先让我们来看一下不适用信道复用技术的信息传输，如下图：
　　
使用单独信道.png

　　再来看一下信道复用以后的信息传输情况，如下图：
　　
使用共享信道.png

　　从这两个图的对比可以看得出，信道复用给我们最直观的感受就是信道少了，虽然信道少了，但是并没有节省多少成本，因为要实现多路复用需要更大的带宽，以及复用器和分用器等；当然了，如果复用的信道数量很大，那就很值了，这需要一个阈值来调控。显然显示生活中的用户量已经及其庞大了，那么共享信道就很有必要了。
　　其实复用的本质就是为了提升信道利用率和减少资源的浪费而产生的技术，知道了原因，接下来看一下对应的解决办法。

3.3 信道复用详解

概述：
多路复用根据使用的技术可以分为时分复用（TDM，Time Division Multiplexing）、频分复用（FDM，Frequency Division Multiplexing）、空分复用（SDM，Space Division Multiplexing）和码分复用（CDM，Code Division Multiplexing）。
　　信道复用技术的实质是，将一个区域的多个用户数据通过发送多路复用器进行汇集，然后将汇集后的数据通过一个物理线路进行传送，接收多路复用器再对数据进行分离，分发到多个用户。
　　技术实现是把多个低速信道组合成一个高速信道的技术，它可以有效的提高数据链路的利用率，从而使得一条高速的主干链路同时为多条低速的接入链路提供服务，也就是使得网络干线可以同时运载大量的语音和数据传输。
解读：低速信道可以理解为普通的双绞线，也就是我们平时使用的网线，这种网线的特点是传输速率低（相对于主干线，到单个用户是完全够用的。），价格低廉，适合单用户使用；高速信道也就是主干线，是运营商提供的，可以理解为我们所说的光缆。
　　注意：所谓高速信道和低速信道只是相对的，并没有一定的解析，现在的低速信道放在过去可能就是高速信道。
时分复用：
高速信道根据时间划分成多个等长的时隙供多个低速信道轮流使用，在一个时隙内，只能有一个低速信道占有高速信道的资源。
　　每个时隙叫做时分复用帧（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。如下图（A、B、C、D表示四个不同的用户）：
　　
时分复用.png

　　这个图只是展示一下实现思路，不容易看出时分复用的缺陷，再来一张图（小写字母分别表示对应的大写字母代表的用户的传输资源）：
　　
时分复用造成资源浪费.png

　　前面说过，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。所以，在同一时刻，可能有的用户并没有进行资源的传输，这就造成了信道的利用率不高。
为了解决这个问题，又出现了统计时分复用（STDM，Statistic Time Division Multiplexing），先上个原理图：
统计时分复用工作原理.png

　　从上图可以看出传输链路多了一个集中器。集中器又叫做数据选择器，主要用于增加一定量的时间和带宽内的可以通过网络发送的数据量，集中器使多个信号共享一个设备或资源。
　　集中器可以按照顺序将用户发送的数据扫描进缓存，然后放入STDM帧中，当一个帧放满了就发送。所以STDM帧并不是按照时隙，而是按需分配。集中器能正常工作的前提是假定各用户都是间歇性工作的，因为如果个用户都是不间断的发送数据，那么缓存就可能会溢出。STDM中还有其他的一些利弊，如有需要可自行查阅资料学习。
频分复用：
多路复用器将各个低速信道的信号通过调制分布到高速信道的各个频段，然后进行叠加，形成高速信道上传输的信号，在接收端，分路器一般通过带通滤波器分离各个频段，然后转发给对应的低速信道。
　　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。可见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）。
　　
频分复用.png
在光通信领域，根据光波波长的不同进行多路复用的技术被称为波分复用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）。

波分复用的概念.png
空分复用：
使用多天线技术，通过波束成形技术将信号对准特定的发射源或接收站进行接收或发送。通过空分复用，多个发射源或者接受站可以同时使用同一个频率。在实际的通信工程里，空分复用通常和其它复用技术结合使用。
码分复用：
采用扩频通信技术，各个低速信道可以在同一个地方同时使用相同的频率进行通信，不同的低速信道通过采用不同的地址码复用整个频段。
　　码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是另一种共享信道的方法。实际上，人们更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access)。每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。
　　插播一组思维跳跃：这种思路可以想到HTTPS传输协议中，用户在使用对称加密算法传输数据阶段获取到的加密秘钥也是不一样的。

3.4 总结

总结
本文概述了物理层的信号是如何传输的，只是概述，其中的很多知识点都是点到为止，感兴趣的同学可以自行查询资料进行扩展。
　　这部分的知识相对来讲比较晦涩，需要用心来看。理论知识都如此，更何况到真正的工业化生产。古人云：读万卷书，行万里路。我们新一代的同学读了不少书，但是真正的实验科学却没有进行多少，所以很多书不容易自学，希望在以后的学习中，也能多动动手。
　　本文知识点如有错误的地方，望指出。