Chapter2:物理層 重點總結和記錄
物理層
考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。
物理層的作用是要盡可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異。
用於物理層的協議也常稱為物理層規程
物理層的主要任務：
描述為確定與傳輸媒體的接口的一些特性：
- 機械特性 指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等等。
- 電氣特性 指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
- 功能特性 指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
- 過程特性 指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
重要概念
數據(data)——運送消息的實體。（消息是具體的信息）
信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現。
模擬信號 (analogous signal) ——代表消息的參數的取值是連續的。例如，當我們說話時，聲音大小是連續變化的，因此運送話音信息的聲波就是模擬數據，電話線上的話音信號是模擬信號。
數字信號 (digital signal)——代表消息的參數的取值是離散的。例如計算機上的網卡發送的0100110形式的數據是數字數據，其對應的在電纜上傳遞的信號是數字信號。
單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。
雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)。
雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發送和接收信息。
基帶信號（即基本頻帶信號）
來自信源的信號。
基帶信號是離散的，即數字信號，就是將數字信號1或0直接用只包含兩種不同電壓的波形來表示，然后送達線路上去。波形中只包含兩種或幾種不同的離散電壓值
舉例：計算機輸出的各種文字圖像的數據信號都是基帶信號。
不利之處：基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量 ，必須對基帶信號進行調制。
調制分類：
- 基帶調制：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（依然是數字信號）。把這種過程稱為編碼 (coding) 。
- 帶通調制：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，並轉換為模擬信號，這樣就能夠更好地在模擬信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道） 。經過載波調制后的信號叫做帶通信號 。
一般來說，基帶調制就叫編碼，而提起調制，指的是帶通調制。
傳輸媒體
主要是導引型和非導引型傳輸媒體。
導引型：
雙絞線：
分為無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線。
特點：價格便宜，抗干擾性差，既可用來傳輸模擬信號又可用來傳輸數字信號。
同軸電纜：
一般用50歐姆和75歐姆。
同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據 )，也是同樣可以數字信號/模擬信號。
光纜：
光纖是光纖通信的傳輸媒體。分為多模光纖和單模光纖。
傳輸帶寬遠遠大於目前其他各種傳輸媒體的帶寬。
非導引型：
保密性差。
主要是短波和微波通信：
短波通信：
主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差。
微波通信：
無線電微波通信在數據通信中占有重要地位
微波在空間主要是直線傳播。
微波通信主要是基站直視和衛星通信，抗干擾性好。
藍牙技術特征——跳頻技術：安全。
復用 ：
指允許用戶使用一個共享信道進行通信，降低成本，提高利用率。
頻分復用 FDM ：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送速率）。
時分復用 TDM：是將時間划分為一段段等長的時分復用幀（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。每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是 TDM 幀的長度）。TDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。
時分復用可能會造成線路資源的浪費 。
統計時分復用 STDM ：STDM 幀不是固定分配時隙，而是按需動態地分配時隙。因此統計時分復用可以提高線路的利用率。
波分復用就是光的頻分復用。使用一根光纖來同時傳輸多個光載波信號。
碼分復用 CDM ：碼分多址 CDMA
這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似於白噪聲，不易被敵人發現。
碼片序列(chip sequence) :
每一個比特時間划分為 m 個短的間隔，稱為碼片 (chip)。
每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列，如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。 計算中將0用-1表示。
每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交 (orthogonal)。
在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。
信道中的數據是各站發送的數據的疊加。
兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S 和T 的規格化內積 (inner product) 等於 0
任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化內積都是 1 。
任何一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1。
何一個碼片向量和其他碼片的向量或其他碼片反碼的向量的規格化內積都是0。
設某一站接收到的各站發來的碼的疊加值為: M(M1,M2,M3,…Mm), 求S站發送何數據 ：S·M，若為1則S發送的是1，若為-1則S發送的是0，若為0則S並未發送數據。
上面是模擬傳輸系統，下面：
數字傳輸系統
與模擬通信相比，數字通信無論是在傳輸質量上還是經濟上都有明顯的優勢。
脈沖編碼調制
脈沖編碼調制就是把一個時間連續，取值連續的模擬信號變換成時間離散，取值離散的數字信號后在信道中傳輸。
對模擬信號先抽樣，再對樣值幅度量化。
抽樣定理：
在進行模擬/數字信號的轉換過程中，當抽樣頻率大於信號中最高頻率的2倍時，抽樣之后的數字信號完整地保留了原始信號中的信息。
量化：
幅度上仍連續的抽樣信號進行幅度離散，即指定M個規定的電平，把抽樣值用最接近的規定電平表示的過程稱為量化 。這有限個電平稱為量化電平。
與抽樣的關系：抽樣是把一個時間連續信號變換成時間離散的信號，而量化則是將取值連續的抽樣變成取值離散的抽樣值序列。
量化噪聲：量化產生的量化誤差
舊的數字傳輸系統存在着許多缺點 ：
-
速率標准不統一
-
不是同步傳輸
異步通信與同步通信 ：
異步通信：
異步通信是指通信的發送與接收設備使用各自的時鍾控制數據的發送和接收過程。為使雙方的收發協調，要求發送和接收設備的時鍾盡可能一致 。
異步通信的特點：不要求收發雙方時鍾的嚴格一致，實現容易，設備開銷較小，但每個字符要附加2～3位用於起止位，各幀之間還有間隔，因此傳輸效率不高。異步通信是以字符（幀）為單位進行傳輸，字符與字符之間的間隙（時間間隔）是任意的，即字符之間是異步的，但同一字符內的各位是同步的。
同步通信：
同步通信時要建立發送方時鍾對接收方時鍾的直接控制，使雙方達到完全同步。此時，傳輸數據的位之間的距離均為“位間隔”的整數倍，同時傳送的字符間不留間隙，即保持位同步關系，也保持字符同步關系。發送方對接收方的同步可以通過兩種方法實現：外同步和自同步。左圖和右圖：
同步光纖網 SONET 和同步數字系列 SDH：
同步光纖網 SONET (Synchronous Optical Network) 的各級時鍾都來自一個非常精確的主時鍾。 n為光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構，
同步數字系列 SDH： 一般認為 , SDH 與 SONET 基本相同。我國采用的是SDH標准。
我國數字同步網SDH（Synchronous Digital Hierarchy，同步數字體系），主要技術：多基准鍾，分區等級主從同步方式。
SONET / SDH 標准的意義 ：
- 使不同的數字傳輸體制在 STM-1 等級上獲得了統一。
- 第一次真正實現了數字傳輸體制上的世界性標准。
- 已成為公認的新一代理想的傳輸網體制。
- SDH 標准也適合於微波和衛星傳輸的技術體制。
寬帶接入技術
ADSL技術
用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。 ADSL 技術就把 0~4 kHz 低端頻譜留給傳統電話使用，而把原來沒有被利用的高端頻譜留給用戶上網使用。
DSL 就是數字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。
上行和下行帶寬做成不對稱的。上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。
ADSL技術特點 ：
- 充分利用已鋪設的大量市話雙絞銅線，保持資源。
- 多采用先進的DMT線路編碼方式，抗串音和其他干擾的能力較強，並可根據線路長度，噪聲情況自適應地選擇傳輸速率。
- 在一條線路上可同時傳送傳統的POTS業務和ADSL業務，並且互不影響。
- 由於每根雙絞線由每個ADSL用戶獨有，因而ADSL帶寬也由每個ADSL用戶所獨占，而非帶寬共享。
- 由於ADSL的傳輸可靠性相對較低，且傳輸速率有限，因而主要適用於家庭用戶和中小型商業用戶。
- ADSL所能得到的最高數據傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關，實際上不大。
ADSL 在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調制解調器。我國目前采用的方案是離散多音調 DMT (Discrete Multi-Tone)調制技術。這里的“多音調”就是“多載波”或“多子信道”的意思。
DMT技術：
DMT 調制技術采用頻分復用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜划分為許多的子信道，其中 25 個子信道用於上行信道，而 249 個子信道用於下行信道。
每個子信道占據 4 kHz 帶寬（嚴格講是 4.3125 kHz），並使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調制。這種做法相當於在一對用戶線上使用許多小的調制解調器並行地傳送數據。
第二代ADSL：
通過提高調制效率得到了更高的數據率。
光纖同軸混合網 HFC （Hybrid Fiber Coax ）：
nHFC 網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。
HFC網的主干線路采用光纖 。n在光纖結點以下就是同軸電纜。
HFC 網具有雙向傳輸功能，擴展了傳輸頻帶。
FTTx 技術 ：
nFTTx 是一種實現寬帶居民接入網的方案，代表多種寬帶光纖接入方式。
FTTx 表示 Fiber To The…（光纖到…用戶、小區、路邊..）