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(lái)展開(kāi)敘述。
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(guò)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(chēng)為頻寬，信道能夠通過(guò)的最高頻率-信道能夠通過(guò)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(shí)間內鏈路能夠通過(guò)的數據量。數字信號的傳輸是通過(guò)模擬信號的調制完成的，為了與模擬帶寬進(jìn)行區分，數字信道的帶寬一般直接用波特率或符號率來(lái)描述。
碼元：在數字通信中常常用時(shí)間間隔相同的符號來(lái)表示一個(gè)二進(jìn)制數字，這樣的時(shí)間間隔內的信號稱(chēng)為(二進(jìn)制）碼元。 而這個(gè)間隔被稱(chēng)為碼元長(cháng)度。當碼元的離散狀態(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《計算機網(wǎng)絡(luò )》中對碼元的定義解讀起來(lái)有點(diǎn)費勁，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，而是由調制方式和編碼方式?jīng)Q定的。
??碼元速率：表示單位時(shí)間內信號波形的變換次數，即通過(guò)信道傳輸的碼元個(gè)數。
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(zhì)量越差，在接收端的波形的失真就越嚴重。數字信號通過(guò)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(guò)此上限，就會(huì )出現嚴重的碼間串擾問(wèn)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(guò)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(wǎng)絡(luò )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(chǎng)，稱(chēng)為噪音。這種能量場(chǎng)的產(chǎn)生源可以來(lái)自?xún)炔肯到y，也可以產(chǎn)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(xún)資料學(xué)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(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(lái)的知識點(diǎn)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(lái)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(gè)問(wèn)題，就需要對基帶信號進(jìn)行解調。調制可分為兩大類(lèi):
一類(lèi)是僅僅對基帶信號的波形進(jìn)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(lèi)調制稱(chēng)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(guò)程稱(chēng)為編碼(coding)。如下圖：
數字信號常用編碼方式.png
另一類(lèi)調制則需要使用載波(carrier)進(jìn)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(jīng)過(guò)載波調制后的信號稱(chēng)為帶通信號(即僅在一段頻率范圍內能夠通過(guò)信道），而使用載波的調制稱(chēng)為帶通調制。如下圖：基本調制方法.png補充完了養分我們回到之前的問(wèn)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為：010101010101
如果直接傳送，那么一個(gè)碼元寫(xiě)代碼的信息量就是1bit，要么是0，要么是1?，F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，對此我們可以采用帶通調制中的任意一種進(jìn)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(lái)使用12個(gè)碼元來(lái)表示的信息，現在只需要4個(gè)碼元即可表示，效率提升了三倍。
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(lèi)：
導引型傳輸媒體：電磁波被導引沿著(zhù)固體媒介（銅或光纖）傳播。??雙絞線(xiàn)：由兩條相互絕緣的導線(xiàn)按照一定的規格互相纏繞（一般以順時(shí)針纏繞）在一起而制成的一種通用配線(xiàn)。雙絞線(xiàn)過(guò)去主要是用來(lái)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(xiàn)按一定規格互相絞在一起，可降低信號干擾的程度，每一根導線(xiàn)在傳輸中輻射的電波會(huì )被另一根線(xiàn)上發(fā)出的電波抵消。其中外皮所包的導線(xiàn)兩兩相絞，形成雙絞線(xiàn)對。
??在計算機網(wǎng)絡(luò )中，雙絞線(xiàn)被大量應用。
Cat-6 EthernetCableGreen.jpg
不同規格的雙絞線(xiàn)對應著(zhù)不同的傳輸頻率等特性，因功能的不同，分為四組雙絞線(xiàn)，分組規則如下圖：
雙絞線(xiàn).png
1?輸出數據?( )?2?輸出數據?(-)?3?輸入數據?( )?4?保留為電話(huà)使用?5?保留為電話(huà)使用?6?輸入數據?(-)?7?保留為電話(huà)使用?8?保留為電話(huà)使用
可以看出，雖然雙絞線(xiàn)有8根芯線(xiàn)，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：同軸電纜由內導體銅質(zhì)芯線(xiàn)（單股實(shí)心線(xiàn)或多股絞合線(xiàn)）、絕緣層、網(wǎng)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(huì )用于家用影音器材或是業(yè)余無(wú)線(xiàn)電設備中。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(xiàn)所取代。
長(cháng)距離的同軸電纜常用作電臺或電視臺網(wǎng)絡(luò )中的電視信號線(xiàn)。未來(lái)有被其它高科技器材漸漸取代的趨勢，如：光纖、T1、人造衛星等。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(xiàn)纜稱(chēng)為光纜。
??光導纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)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。因為具有波動(dòng)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(diǎn)以及應用場(chǎng)景不做過(guò)多闡述，還有一種叫做架空明線(xiàn)（銅線(xiàn)或者鐵線(xiàn)）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(wú)限傳輸。
??這部分其實(shí)就是無(wú)線(xiàn)電傳輸，通過(guò)不同波段的頻率來(lái)傳輸信號，重點(diǎn)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(lǐng)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(wú)線(xiàn)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)與醫藥）的縮寫(xiě)，即所謂的“工、科、醫頻段”。各國的ISM標準有可能略有差別。無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)使用的ISM頻段.png??無(wú)線(xiàn)傳輸有優(yōu)點(diǎn)也有缺點(diǎn)，可以自行查閱資料了解。
基本概念：
??信道復用通常表示在一個(gè)信道上傳輸多路信號或數據流的過(guò)程和技術(shù)。
需要注意的是，還有一個(gè)名稱(chēng)叫做多路復用，其實(shí)兩個(gè)說(shuō)的是同一個(gè)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(gè)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(wàn)馬過(guò)獨木橋，到網(wǎng)絡(luò )通信，NIO等等其實(shí)都是這個(gè)概念的應用。
解答：
??首先讓我們來(lái)看一下不適用信道復用技術(shù)的信息傳輸，如下圖：
使用單獨信道.png
再來(lái)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(gè)圖的對比可以看得出，信道復用給我們最直觀(guān)的感受就是信道少了，雖然信道少了，但是并沒(méi)有節省多少成本，因為要實(shí)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(gè)閾值來(lái)調控。顯然顯示生活中的用戶(hù)量已經(jīng)及其龐大了，那么共享信道就很有必要了。
其實(shí)復用的本質(zhì)就是為了提升信道利用率和減少資源的浪費而產(chǎn)生的技術(shù)，知道了原因，接下來(lái)看一下對應的解決辦法。
概述：
??多路復用根據使用的技術(shù)可以分為時(shí)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(shù)的實(shí)質(zhì)是，將一個(gè)區域的多個(gè)用戶(hù)數據通過(guò)發(fā)送多路復用器進(jìn)行匯集，然后將匯集后的數據通過(guò)一個(gè)物理線(xiàn)路進(jìn)行傳送，接收多路復用器再對數據進(jìn)行分離，分發(fā)到多個(gè)用戶(hù)。
技術(shù)實(shí)現是把多個(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據鏈路的利用率，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(xiàn)可以同時(shí)運載大量的語(yǔ)音和數據傳輸。??解讀：低速信道可以理解為普通的雙絞線(xiàn)，也就是我們平時(shí)使用的網(wǎng)線(xiàn)，這種網(wǎng)線(xiàn)的特點(diǎn)是傳輸速率低（相對于主干線(xiàn)，到單個(gè)用戶(hù)是完全夠用的。），價(jià)格低廉，適合單用戶(hù)使用；高速信道也就是主干線(xiàn)，是運營(yíng)商提供的，可以理解為我們所說(shuō)的光纜。
注意：所謂高速信道和低速信道只是相對的，并沒(méi)有一定的解析，現在的低速信道放在過(guò)去可能就是高速信道。
時(shí)分復用：
??高速信道根據時(shí)間劃分成多個(gè)等長(cháng)的時(shí)隙供多個(gè)低速信道輪流使用，在一個(gè)時(shí)隙內，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)分復用幀（TDM幀)。每一個(gè)時(shí)分復用的用戶(hù)在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號的時(shí)隙。如下圖（A、B、C、D表示四個(gè)不同的用戶(hù)）：時(shí)分復用.png
這個(gè)圖只是展示一下實(shí)現思路，不容易看出時(shí)分復用的缺陷，再來(lái)一張圖（小寫(xiě)字母分別表示對應的大寫(xiě)字母代表的用戶(hù)的傳輸資源）：
時(shí)分復用造成資源浪費.png前面說(shuō)過(guò)，每一個(gè)時(shí)分復用的用戶(hù)在每一個(gè)TDM幀中占用固定序號的時(shí)隙。所以，在同一時(shí)刻，可能有的用戶(hù)并沒(méi)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(wèn)題，又出現了統計時(shí)分復用（STDM，Statistic Time Division Multiplexing），先上個(gè)原理圖：
統計時(shí)分復用工作原理.png
從上圖可以看出傳輸鏈路多了一個(gè)集中器。集中器又叫做數據選擇器，主要用于增加一定量的時(shí)間和帶寬內的可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )發(fā)送的數據量，集中器使多個(gè)信號共享一個(gè)設備或資源。
集中器可以按照順序將用戶(hù)發(fā)送的數據掃描進(jìn)緩存，然后放入STDM幀中，當一個(gè)幀放滿(mǎn)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(hù)都是間歇性工作的，因為如果個(gè)用戶(hù)都是不間斷的發(fā)送數據，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。
頻分復用：
??多路復用器將各個(gè)低速信道的信號通過(guò)調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的信號，在接收端，分路器一般通過(guò)帶通濾波器分離各個(gè)頻段，然后轉發(fā)給對應的低速信道。
用戶(hù)在分配到一定的頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶?？梢?jiàn)頻分復用的所有用戶(hù)在同樣的時(shí)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(lǐng)域，根據光波波長(cháng)的不同進(jìn)行多路復用的技術(shù)被稱(chēng)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(xiàn)技術(shù)，通過(guò)波束成形技術(shù)將信號對準特定的發(fā)射源或接收站進(jìn)行接收或發(fā)送。通過(guò)空分復用，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，空分復用通常和其它復用技術(shù)結合使用。
碼分復用：
??采用擴頻通信技術(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(guò)采用不同的地址碼復用整個(gè)頻段。
碼分復用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(hù)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(hù)使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的不同碼型，因此各用戶(hù)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(hù)在使用對稱(chēng)加密算法傳輸數據階段獲取到的加密秘鑰也是不一樣的。
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(diǎn)都是點(diǎn)到為止，感興趣的同學(xué)可以自行查詢(xún)資料進(jìn)行擴展。
這部分的知識相對來(lái)講比較晦澀，需要用心來(lái)看。理論知識都如此，更何況到真正的工業(yè)化生產(chǎn)。古人云：讀萬(wàn)卷書(shū)，行萬(wàn)里路。我們新一代的同學(xué)讀了不少書(shū)，但是真正的實(shí)驗科學(xué)卻沒(méi)有進(jìn)行多少，所以很多書(shū)不容易自學(xué)，希望在以后的學(xué)習中，也能多動(dòng)動(dòng)手。
本文知識點(diǎn)如有錯誤的地方，望指出。
《計算機網(wǎng)絡(luò )（第7版）》-謝希仁
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