[第一節(jié): 信息傳遞的媒介-信道]

1.1 信道傳輸過程

簡介

• 物理層信息傳遞的本質：

  ??

  

  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，對于交流電的傳輸有一定的認知，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字信息。
  　　帶寬：能夠有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度。根據傳送信息的不同分為模擬帶寬和數字帶寬。
  　　模擬帶寬：對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。當組成信道的電路制成了，信道的帶寬就決定了。為了使信號的傳輸的失真小些，信道要有足夠的帶寬。
  　　數字帶寬：帶寬是指單位時間內鏈路能夠通過的數據量。數字信號的傳輸是通過模擬信號的調制完成的，為了與模擬帶寬進行區(qū)分，數字信道的帶寬一般直接用波特率或符號率來描述。
  　　碼元：在數字通信中常常用時間間隔相同的符號來表示一個二進制數字，這樣的時間間隔內的信號稱為(二進制）碼元。 而這個間隔被稱為碼元長度。當碼元的離散狀態(tài)有大于2個時（如M大于2個） 時，此時碼元為M進制碼元。（謝希仁版《計算機網絡》中對碼元的定義解讀起來有點費勁，以上定義較容易理解）

  注意：一個碼元攜帶的信息量不是固定不變的，而是由調制方式和編碼方式決定的。

  ??碼元速率：表示單位時間內信號波形的變換次數，即通過信道傳輸的碼元個數。
  　　在使用二進制編碼時，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)。
  　　碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或噪聲干擾越大，或傳輸媒體質量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。
  

  

  數字信號通過實際的信道.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，這種現象叫做碼間串擾；
  　　根據奈氏準則：在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的識別成為不可能。
  　　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碼間串擾。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絡帶寬越大，傳輸速率越快了。

• 信噪比：

  ??噪聲：干擾信號傳輸的能量場，稱為噪音。這種能量場的產生源可以來自內部系統(tǒng)，也可以產生于外部環(huán)境。噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中。此處不再贅述（求知欲強的可以自行查詢資料學習），只要記住即可。
  　　香農公式表明：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，對于頻帶寬度已經確定了的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元的傳輸速率已經達到了上限值，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，讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。

  接下來的知識點較難理解需要對前面的概念鋪墊理解的清楚。
  上圖演示了基帶信號和三中對應的調制信號波形圖，首先了解一下什么是基帶信號？
  　　基帶信號：來自信源的基本頻帶信號。
  　　基帶信號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，為了解決這個問題，就需要對基帶信號進行解調。調制可分為兩大類:
  　　一類是僅僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應。變換后的信號仍然是基帶信號。這類調制稱為基帶調制。由于這種基帶調制是把數字信號轉換為另一種形式的數字信號，因此大家更愿意把這種過程稱為編碼(coding)。如下圖：
  　　

  

  數字信號常用編碼方式.png

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

  

  基本調制方法.png

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

[第二節(jié): 現實中的物理媒介]

2.1 簡介

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：
  　　導引型傳輸媒體：電磁波被導引沿著固體媒介（銅或光纖）傳播。

  ??雙絞線：由兩條相互絕緣的導線按照一定的規(guī)格互相纏繞（一般以順時針纏繞）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的，但現在同樣適用于數字信號的傳輸。

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

  ??在計算機網絡中，雙絞線被大量應用。
  

  

  Cat-6 EthernetCableGreen.jpg

  
  　　不同規(guī)格的雙絞線對應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?輸出數據?( )?2?輸出數據?(-)?3?輸入數據?( )?4?保留為電話使用?5?保留為電話使用?6?輸入數據?(-)?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，但是在網絡傳輸中真正用到的，只有1、2、3、6四根。
  ??同軸電纜：同軸電纜由內導體銅質芯線（單股實心線或多股絞合線）、絕緣層、網狀編織的外導體屏蔽層（也可以是單股的）以及保護塑料外層所組成。
  　　短距離的同軸電纜一般也會用于家用影音器材或是業(yè)余無線電設備中。此外，也曾經被廣泛使用在以太網的連接，直至被雙絞線所取代。
  　　長距離的同軸電纜常用作電臺或電視臺網絡中的電視信號線。未來有被其它高科技器材漸漸取代的趨勢，如：光纖、T1、人造衛(wèi)星等。但由于同軸電纜相對便宜且早已鋪設完成，因而沿用至今。
  ??光纜：包含光纖的線纜稱為光纜。
  ??光導纖維，簡稱光纖，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反射原理傳輸的光傳導工具。分為單模光纖和多模光纖。
  　　根據最新的研究結果表明：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。
  光同時具有粒子性與波動性。因為具有波動性，所以這就是為什么光可以作為信號傳播的載體。

  

  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)缺點以及應用場景不做過多闡述，還有一種叫做架空明線（銅線或者鐵線）的傳輸媒體，因其劣勢較大以及很少使用，許多國家以及停止了鋪設，了解即可。
  ??
  非導引型傳輸媒體：自由空間，表現為無限傳輸。
  ??這部分其實就是無線電傳輸，通過不同波段的頻率來傳輸信號，重點是要注意發(fā)送方的設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備接收，如果使用了其他頻段是接收不到的。

  

  電信領域使用的電磁波的頻譜.png

  
  下圖給出了美國的ISM頻段，現在的無線局域網就使用其中的2.4GHz和5.8GHz頻段。ISM是Industrial，Scientific,andMedical(工業(yè)、科學與醫(yī)藥）的縮寫，即所謂的“工、科、醫(yī)頻段”。各國的ISM標準有可能略有差別。

  

  無線局域網使用的ISM頻段.png

  ??無線傳輸有優(yōu)點也有缺點，可以自行查閱資料了解。

[第三節(jié): 信道復用]

3.1 什么是信道復用

基本概念

• 基本概念：

  ??信道復用通常表示在一個信道上傳輸多路信號或數據流的過程和技術。
  　　需要注意的是，還有一個名稱叫做多路復用，其實兩個說的是同一個東西，多路復用可以理解為：多路信號或數據量重復使用一個信道。
  　　信道復用或者多路復用的概念應用非常廣泛，從千軍萬馬過獨木橋，到網絡通信，NIO等等其實都是這個概念的應用。

3.2 為什么需要信道復用

• 解答：

  ??首先讓我們來看一下不適用信道復用技術的信息傳輸，如下圖：
  

  　　

  

  使用單獨信道.png

  
  　　再來看一下信道復用以后的信息傳輸情況，如下圖：
  　　

  

  使用共享信道.png

  
  　　從這兩個圖的對比可以看得出，信道復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，因為要實現多路復用需要更大的帶寬，以及復用器和分用器等；當然了，如果復用的信道數量很大，那就很值了，這需要一個閾值來調控。顯然顯示生活中的用戶量已經及其龐大了，那么共享信道就很有必要了。
  　　其實復用的本質就是為了提升信道利用率和減少資源的浪費而產生的技術，知道了原因，接下來看一下對應的解決辦法。

3.3 信道復用詳解

• 概述：

  ??多路復用根據使用的技術可以分為時分復用（TDM，Time Division Multiplexing）、頻分復用（FDM，Frequency Division Multiplexing）、空分復用（SDM，Space Division Multiplexing）和碼分復用（CDM，Code Division Multiplexing）。
  　　信道復用技術的實質是，將一個區(qū)域的多個用戶數據通過發(fā)送多路復用器進行匯集，然后將匯集后的數據通過一個物理線路進行傳送，接收多路復用器再對數據進行分離，分發(fā)到多個用戶。
  　　技術實現是把多個低速信道組合成一個高速信道的技術，它可以有效的提高數據鏈路的利用率，從而使得一條高速的主干鏈路同時為多條低速的接入鏈路提供服務，也就是使得網絡干線可以同時運載大量的語音和數據傳輸。

  ??解讀：低速信道可以理解為普通的雙絞線，也就是我們平時使用的網線，這種網線的特點是傳輸速率低（相對于主干線，到單個用戶是完全夠用的。），價格低廉，適合單用戶使用；高速信道也就是主干線，是運營商提供的，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的，并沒有一定的解析，現在的低速信道放在過去可能就是高速信道。

• 時分復用：

  ??高速信道根據時間劃分成多個等長的時隙供多個低速信道輪流使用，在一個時隙內，只能有一個低速信道占有高速信道的資源。
  　　每個時隙叫做時分復用幀（TDM幀)。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。如下圖（A、B、C、D表示四個不同的用戶）：
  

  　　

  

  時分復用.png

  
  　　這個圖只是展示一下實現思路，不容易看出時分復用的缺陷，再來一張圖（小寫字母分別表示對應的大寫字母代表的用戶的傳輸資源）：
  　　

  

  時分復用造成資源浪費.png

  
  

  　　前面說過，每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙。所以，在同一時刻，可能有的用戶并沒有進行資源的傳輸，這就造成了信道的利用率不高。

  ??為了解決這個問題，又出現了統(tǒng)計時分復用（STDM，Statistic Time Division Multiplexing），先上個原理圖：
  

  

  統(tǒng)計時分復用工作原理.png

  
  　　從上圖可以看出傳輸鏈路多了一個集中器。集中器又叫做數據選擇器，主要用于增加一定量的時間和帶寬內的可以通過網絡發(fā)送的數據量，集中器使多個信號共享一個設備或資源。
  　　集中器可以按照順序將用戶發(fā)送的數據掃描進緩存，然后放入STDM幀中，當一個幀放滿了就發(fā)送。所以STDM幀并不是按照時隙，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，因為如果個用戶都是不間斷的發(fā)送數據，那么緩存就可能會溢出。STDM中還有其他的一些利弊，如有需要可自行查閱資料學習。

• 頻分復用：

  ??多路復用器將各個低速信道的信號通過調制分布到高速信道的各個頻段，然后進行疊加，形成高速信道上傳輸的信號，在接收端，分路器一般通過帶通濾波器分離各個頻段，然后轉發(fā)給對應的低速信道。
  　　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頻帶。可見頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發(fā)送速率）。
  

  　　

  

  頻分復用.png

  ??在光通信領域，根據光波波長的不同進行多路復用的技術被稱為波分復用（WDM，Wavelength Division Multiplexing）。

  
  

  

  波分復用的概念.png

• 空分復用：

  ??使用多天線技術，通過波束成形技術將信號對準特定的發(fā)射源或接收站進行接收或發(fā)送。通過空分復用，多個發(fā)射源或者接受站可以同時使用同一個頻率。在實際的通信工程里，空分復用通常和其它復用技術結合使用。

• 碼分復用：

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

3.4 總結

• 總結

  ??本文概述了物理層的信號是如何傳輸的，只是概述，其中的很多知識點都是點到為止，感興趣的同學可以自行查詢資料進行擴展。
  　　這部分的知識相對來講比較晦澀，需要用心來看。理論知識都如此，更何況到真正的工業(yè)化生產。古人云：讀萬卷書，行萬里路。我們新一代的同學讀了不少書，但是真正的實驗科學卻沒有進行多少，所以很多書不容易自學，希望在以后的學習中，也能多動動手。
  　　本文知識點如有錯誤的地方，望指出。

參考資料

• 《計算機網絡（第7版）》-謝希仁