1.物理层技术

物理层技术

数字通信传输技术

同步传输和异步传输

同步传输和异步传输是依据终端是否在同一时间可以接收一批数据来进行分类的。注意同步和异步概念的相对性取决于“一批数据的定义”，本小节内的一批数据指的是多个字符（一个字符包含多个比特）。

异步传输

拒绝传输无中断的长比特流，从而避免时序上的问题。异步传输一次只能接收一个字符。传输过程中接收机可以通过每个字符前后表示分隔的标志（称为先导码和停止位）来保证字符同步。
异步传输的优点是传输系统简单且便宜，但是由于先导码的存在，每个字符内需要2-3个比特的额外开销。虽然每个字符的长度适度增大可以减小额外开销的占比，但是字符越长，累计时序误差越大。
累计时序误差是：实际上抽样器对每一个比特的抽样时间存在一定误差，误差在时间尺度上累计就可能出现抽样出错的情况，称为“滑码”。

为了避免滑码，异步传输适合于字符传输间隔时间长的情况（比如键盘）。

同步传输

同步传输时，数据包以稳定比特流的形式传输，没有起始位和停止位。同步传输时，发送机和接收机之间除了数据传输线路外，还应当有一条独立的线路用于提供时钟信号，为发送机和接收机进行同步。时钟专线消耗资源较大，也可以采用将时钟信号嵌入码型的方法（比如曼彻斯特码）。
此外，还需要保证发送机和接收机能够同时判断数据块的开始和结束，因此每个数据包会设置同步标志（称为同步码），此外还会含有一些控制信息，传输的数据加上前后两个同步标志（称为前同步码和后同步码）和控制信息构成了一个同步帧。

差错检测和纠错技术

差错类型

数字通信系统中的差错可以分为两种类型：
- 单比特差错：只改变一个比特。造成单比特差错的原因通常是热噪声。
- 差错突发（error burst）：一串比特/比特簇中有很多差错出现。造成差错突发的原因通常是冲击噪声和信号衰落。

差错检测*

常见的差错检测的措施是奇偶校验和循环冗余校验。
由于本课对这部分没有要求，在此略过。

差错纠正

差错纠正的方法可以分为两种： - 数据重传
重传的高效性取决于传输耗时和误码率率。在短距离有线传输中，重传是高效的。但是对于卫星传输，传输耗时长；同时无线传输中无限链路的误码率高，重传低效。
- 通过编码器和解码器进行纠错，比如前向纠错（FEC）。

链路设置

拓扑结构

拓扑结构是节点之间的物理连接结构。拓扑结构可以分为点对点和多点两种拓扑结构类型。
如果同一条链路上只有两个站点，那么拓扑结构类型是点对点的。如果同一链路上有多站点，那么拓扑结构类型是多点的。
本地局域网的拓扑结构通常是多点拓扑结构。
最基本的两种拓扑结构是：网状（mesh）和星形（star）。

数据交换工作类型

数据交换类型可以分为单工、半双工和双工。
- 单工传输
两个节点之间数据传输只能从节点A发送到节点B，换言之，数据流是单向的。比如电视网。
- 半双工
节点A向B传输的同时，B不能向A传输数据，换言之，数据流是双向非同时的。比如对讲机网络。
- 双工
节点A向B传输的同时，B也可以向A传输数据，换言之，数据流是双向同时的。比如话务网络。

复用技术

复用是一种多个输入使用多个相互独立的信道在一条物理链路上进行传输的技术。常见的复用技术是频分复用（FDM）、同步时分复用（synchronize TDM）和统计时分复用（stastical TDM）。

频分复用

不同的信号调制到不同的载波频率上，使得多个信号可以被同时运载的技术。不同的载波频率之间存在足够大的间隔，以保证信号带宽不会重叠，这个间隔称为保护频带。

频分复用通信的结构如下：

频分复用中主要的两个问题是串扰和交调噪声。

• 应用
  早期的传输音频信号的长途载波系统利用频分复用来扩大容量。对话音信号（300Hz-3400Hz），通常采用4kHz的带宽。

波分复用

由于用于通信的光的频率过高，通常采用波长而不是频率来表示光的特性。在光纤通信中，使用波分复用（WDM）来对光信号进行复用，其本质是光的频分复用。波分复用时，每一种波长的光都携带一个独立的数据通道。大多数波分复用系统的工作范围为1550nm。
密集波分复用（DWDM）是一种信道与信道之间间距更加紧凑的波分复用。密集波分复用没有严格的定义标准。

同步时分复用

在不同时间交错地传输每一个信号当中的一部分的复用方法，每一个单位时间称为一个时隙。

同步时分复用的链路控制

• 流量控制
  采用同步时分复用的链路数据流中不存在首部和尾部（即不存在格式，因此同步时分复用的流量控制本质上是信号控制），也不需要由数据链路协议提供的控制机制。原因是同步时分复用链路中的链路数据率是恒定不变的，接收机和发送机利用这个固定的数据率进行同步。为了保持同步，在使用某一条时隙的设备不进行通信时，仍然会对这个时隙填充一些比特来保证恒定不变的数据率和同步。换言之，即使这个时隙上的设备不工作，这个时隙也不会分配给其他的设备使用。因此同步时分复用技术对信道的利用率较低。

• 差错控制
  由于信道（时隙）之间是相互独立的，因此不同信道之间采用的差错控制方法是可以不同的。

组帧技术

在同步时分复用中，全部时隙上的一组单位数据（比如PCM-32系统中就是32个时隙的一组8比特数据）称为一帧。每一个TDM帧会附加一个控制比特，比如PCM-32系统中的0时隙和15时隙就是用于控制信息的时隙。

统计时分复用

同步时分复用的主要问题是对时隙的利用率太低。统计时分复用中，时隙不再被某个发送机专有，复用器从所有的发送机中收集数据，直到填满所有时隙构成一个帧，然后将这个帧发送。这样的好处是即使某个发送机没有工作，某个时隙也能够被其他发送机用于发送其他信息。

同时，统计时分复用利用了所有连接设备在任何时间不会都在传输的事实，因此复用线路上的数据率小于连接设备数据率的总和。在同样数据率的链路下，统计时分复用比同步时分复用支持更多的设备连接。

但是，由于一帧当中不同时隙含有的数据接收方不再是固定的，每个时隙的开销相比于同步时分复用会更大，因为各个时隙中的数据还应该包含地址。
并且，某个接收方需要等待自己的所有比特组都全部收到之后，才能开始处理信息。因此，统计时分复用对接收方还应该要求具有更大的缓存。