1.物理層基本概念：物理層考慮的是怎樣才能再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
2.物理層特性：機械特性，電氣特性，功能特性，過程特性
3.數據通信系統：分為源系統（發送端）、傳輸系統（傳輸網絡）、目的系統（接收端）三大部分，通信的目的是傳送消息，數據是運送消息的實體，信號則是數據的電氣或電磁的表現，通信系統必備的三大要素：信源，信道，信宿
4.信號：
（1）模擬信號（連續信號）
代表消息的參數的取值是連續的，連續變化的信號，用戶家中的調制解調器到電話端局之間的用戶線上傳送的就是模擬信號。
（2）數字信號（離散信號），代表消息的參數的取值是離散的。用戶家中的計算機到調制解調器之間，或在電話網中繼線上傳送的就是數字信號。在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形就稱為碼元。 在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態而另一種代表1狀態。（1碼元可以攜帶的信息量不是固定的，而是由調制方式和編碼方式決定的，1碼元可以攜帶n bit的信息量，可以通過進制轉換和多級電平）
5.信道
（1）基本概念：信道一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。
（2）通信雙方的交互方式：
①單工通信（單向通信）：即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互，例如：無線電廣播，有線電廣播
②半雙工通信（雙向交替通信）：即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）。這種通信方式是一方發送另一方接收，過一段時間后可以再反過來。例如：對講機
③全雙工通信（雙向同時通信）：即通信的雙方可以同時發送和接收信息。例如：打電話
（3）調制和解調
原因：信源的信號常稱為基帶信號（即基本頻帶信號）。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號。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，所以必須對基帶信號進行調制
調制：
①基帶調制：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，由於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，因此大家更願意把這種過程稱為編碼。常用編碼方式分為不歸零編碼，歸零編碼，曼徹斯特編碼（可以實現時鍾自同步），差分曼徹斯特編碼四種
②帶通調制：使用載波進行調制，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。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），基本的帶通調制方法有調幅，調頻，調相三種，為了達到更高的信息傳輸速率，必須采用技術上更為復雜的多元制的振幅相位混合調制方法。例如，正交振幅調制 QAM
調制解調器：將數字信號和模擬信號互相轉換
（4）信道的極限容量
①信道能夠通過的頻率范圍
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的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。
1924 年，奈奎斯特(Nyquist) 就推導出了著名的奈氏准則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。
碼元的傳輸速率受奈氏准則的限制（模擬信號）
奈氏准則的推導可以在通信原理教科書中查閱
②信噪比
信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記為 SIN，並用分貝（dB）作為度量單位，即：
信噪比（dB) = 10 log10(S/N) (dB)
例如，當 S/N= 10 時，信噪比為 10 dB，而當 S/N= 1000 時，信噪比為 30 dB。
在 1948 年，信息論的創始人香農（Shannon）推導出了著名的香農公式。
香農公式：
信道的極限信息傳輸速率 C 是：
C = W log2(l+S/N) (bit/s)
W為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；s 為信道內所傳信號的平均功率； N為信道內部的高斯噪聲功率。
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
只要信息傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定存在某種辦法來實現無差錯的傳輸
信息傳輸速率受香農公式的限制（數字和模擬信號）
6.物理層下面的傳輸媒體
（1）導引型傳輸媒體：在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿着固體媒體（銅線或光纖）傳播
①雙絞線：雙絞線也稱為雙扭線，是最古老但又是最常用的傳輸媒體。把兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，然后用規則的方法絞合起來就構成了雙絞線。絞合可減少對相鄰導線的電磁干擾。由於雙絞線的價格便直且性能也不錯，因此使用十分廣泛。
②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。由於外導體屏蔽層的作用，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。目前同軸電纜主要用在有線電視網的居民小區 中。同軸電纜的帶寬取決於電纜的質量。目前高質量的同軸電纜的帶寬己接近 1 GHz。
③光纖：光纖通信就是利用光導纖維（以下簡稱為光纖）傳遞光脈沖來進行通信。
單模光纖：若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射
多模光纖：多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。光脈沖在多模光纖中傳輸時會逐漸展寬，造成失真。因此多模光纖只適合於近距離傳輸
（2）非導引型傳輸媒體：非導引型傳 輸媒體中電磁波的傳輸常稱為無線傳輸
①短波通信（高頻通信）：靠電離層的反射
②無線電微波通信：微波在空間主要是直線傳播，分為地面微波接力通信和衛星通信
7.信道復用技術
集線器：信號放大和重發，擴大傳輸范圍，是一個大的沖突域，帶寬平分
（1）頻分復用：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
（2）時分復用：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
（3）統計時分復用STDM：一種改進的時分復用，它能明顯地提高信道的利用率。集中器常使用這種統計時分復用。統計時分復用使用 STDM 幀來傳送復用的數據。但每一個 STDM 幀中的時隙數小於連 接在集中器上的用戶數。各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存，然后集中器按順序 依次掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數據放入 STDM 幀中。對沒有數據的緩存就跳過去。 當一個幀的數據放滿了，就發送出去。因此， 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，統計復用又稱為異步時分復用，而普通的時分復用稱為同步時分復用，每個時隙中還必須有用戶的地址信息
（4）波分復用：一根光纖來同時傳輸多個頻率很接近的光載波信號
（5）碼分復用：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。由於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。CDMA 系統的一個重要特點就是這種體制給每一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。 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）都是 0，即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，而一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是-1
8.數字傳輸系統（電話網的傳輸技術）
PCM：脈沖編碼調制
長途干線大都采用時分復用 PCM 的數字傳輸 方式
多路復用的速率體系：
①E1時分復用（歐洲）：8000*8*32=2.048 Mb/s
②T1（北美和日本）：24*64kbps+8kbps的控制信號
9.寬帶接入技術
（1）ADSL：非對稱數字用戶線 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line）技術是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶數字業務。ADSL 所能得到的最高數據傳輸速率還與實際的用戶線上的信噪比密切相關。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，並使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調制。
人耳聽到：300Hz
人耳識別：3400Hz
（2）光纖同軸混合網：光纖同軸混合網（HFC 網，HFC 是 Hybrid Fiber Coax 的縮寫〉是在目前覆蓋面很廣的有線電視網的基礎上開發的一種居民寬帶接入網，除可傳送電視節目外，還能提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。
（3）FTTx：光纖入戶
10.練習題
一、選擇題
1.各種網絡在物理層互聯時要求（ ）
A.數據傳輸率和鏈路層協議相同
B.數據傳輸率相同，鏈路層協議可不同
C.數據傳輸率可不同，鏈路層協議相同
D.數據傳輸率和鏈路層協議都可不同
2.物理層的主要功能是實現（ ）的正確的傳輸
A.位流
B.幀
C.分組
D.報文
3.在OSI參考模型的層次中，（ ）的數據傳送單位是比特
A.物理層
B.數據鏈路層
C.網絡層
D.傳輸層
4.當數字信號在模擬傳輸系統中傳輸時，在發送端和接收端分別需要（ ）
A.調制器和解調器
B.解調器和調制器
C.編碼器和解碼器
D.解碼器和編碼器
5.調制解調器（Modem）的功能是實現（）
A.數字信號的編碼
B.數字信號的整形
C.模擬信號的放大
D.數字信號與模擬信號的轉換
6.在計算機通信中，傳輸的是信號，把直接由計算機產生的數字信號進行傳輸的方式為（ ）傳輸
A.基帶傳輸
B.寬帶傳輸
C.調制
D.解調
7.在同一時刻，通信雙方可以同時發送數據的信道通信方式為（）
A.半雙工通信
B.單工通信
C.數據報
D.全雙工通信
8.某信道的信號傳輸率為1000Baud，若想令其數據傳輸率達到4kb/s，則一個信號碼元所取的有效離散值個數是（ ）（有效離散值個數是指有多少個組合）
A.16
B.8
C.4
D.2
9.通信系統必須具備的三個基本要素是
A.終端、電纜、計算機
B.信號發生器、通信線路、信號接收設備
C.信源、信道、信宿
D.終端、通信設施、接收設備
10.在網絡中，將語音與計算機產生的數字、文字、圖形與圖像同時傳輸，將語音信號數字化的技術是（ ）
A.差分Manchester編碼
B.PCM技術
C.Manchester編碼
D.FSK方法
11.將物理信道的總頻帶寬分割成若干個子信道，每個子信道傳輸一路信號，這就是（ ）。
A.同步時分多路復用
B.空分多路復用
C.異步時分多路復用
D.頻分多路復用
12.通常所說的ADSL是指（ ）。
A.上網方式
B.電腦品牌
C.網絡服務商
D.網頁制作技術
13.個人計算機通過電話線撥號方式接入因特網時，應使用的設備是（ ）。
A.交換機
B.調制解調器
C.電話機
D.瀏覽器軟件
14.根據香農公式,在帶寬為6000Hz，噪比為30dB的通信信道極限傳輸速率是多少Kbps？（ ）
A.20
B.30
C.50
D.60
15.能夠說明“信噪比越大信息的極限傳輸速率越高”的是( )
A.帶寬
B.傅里葉原理
C.香農原理
D.奈奎斯特原理
二、判斷題
（ ）1.傳輸媒體的接口電氣特性指明在接口電纜的各條線上出現的電壓和電流的范圍。
（ ）2.假設向量S表示站S的碼片向量， T表示其他任何站的碼片向量。則兩個不同站的碼片序列正交，指的是向量S和T的規格化內積都是0。
（ ）3.調制解調器的下行速率一般比上行速率高。
（ ）4.上行信道一般比下行信道的頻譜寬。
（ ）5.ADSL調制解調器可以不用成對使用。
（ ）6.所謂信噪比就是信號的平均功率和總功率之比，常記為S/N，並用分貝（dB）作為度量單位。
（ ）7.香農公式的意義在於：只要信息傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種方法來實現無差錯的傳輸。
（ ）8.CDMA的一個重要特點是：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。
（ ）9.CDMA中的每個站都將被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。如果要發送比特 0，則發送自己的 m bit 碼片序列。
（ ）10.在CDMA中，令向量 S 表示站S的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量。則S與T的規格化內積為1。
參考答案：
1-5：AAAAD 6-10：ADACB 11-15：DABDC
1-5：×√√×× 6-10：×√√××