物理層

一、基本概念

物理層解決如何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
物理層的主要任務：確定傳輸媒體的接口的一些特性，包括，
機械特性：接口形狀，大小，引線數目
電氣特性：例如規定電壓范圍(-5V-5V)
功能特性：例如規定-5V上0，+5V是1
過程特性：也稱規程特性，規定建立連接時各個相關部件的工作步驟

二、典型的數據通信模型

三、數據通信的基礎知識

通信的目的是傳送信息

1. 相關術語

1. 數據(data)——運送消息的實體。

2. 信號(signal)——數據的電氣的或電磁的表現。

   • “模擬的”(analogous)——代表消息的參數的取值是連續的。
   • “數字的”(digital)——代表消息的參數的取值是離散的。

3. 碼元(code)——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。

 

         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。1碼元可以攜帶nbit的信息量

 

2. 信道的基本概念

信道一般表示向一個方向傳輸信息的媒介。所以通信線路往往包含一條發送信息的信道和一條接收信息的信道。

1. 單向通信(單工通信)——只能有一個方向的通信，沒有反向交互。
2. 雙向交替通信(半雙工通信)——通信的雙方都可以發送信息，但是不能雙方同時發送或接收。
3. 雙向同時通信(全雙工通信)——通信的雙發可以同時發送和接收。

3. 基帶(baseband)信號和 帶通(band pass)信號

基帶信號：(基本頻率信號)——來自信源的信號，例如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。基帶信號就是發出的直接表達了要傳輸的信息的信號，比如說我們說話的聲波。
帶通信號：——把基帶信號經過載波調制后（載波頻率高），把信號的頻率范圍遷移到較高的頻段以便在信道中傳輸(即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道)。

 

因此在傳輸距離較近時，采用基帶傳輸方式(衰減不大，信號內容不會變化)。傳輸距離較遠時，采用帶通傳輸方式，例如從計算機到監視器，打印機等外設的信號。

4. 幾種最基本的調制方法

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。為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調制成帶通信號(modulation)。

最基本的二元制調制方法有以下幾種：

1. 調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。
2. 調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。
3. 調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。

5. 常用編碼

1. 單極性不歸零編碼：只使用一個電壓值，高電平表示1，低電平表示0.

2. 雙極性不歸零編碼：用幅值相等的正負電平表示二進制數1和0.

3. 單極性歸零編碼：發送碼1時高電平在整個碼元期間只持續一段時間，其余時間返回零電平。

4. 雙極性歸零編碼：正負零三個電平，信號本事攜帶同步信息。

 

 

 

•    曼徹斯特編碼：單極性編碼的缺點是沒有辦法區分此時是沒有信號，還是有信號，信號是0時。這種編碼方式是bit中間有信號，低-高跳轉表示0，高-低跳轉表示1，一個時鍾周期只可以表示一個bit，並且必須通過兩次采樣才能得到一個bit。它能攜帶時鍾信號，而且能區分此時是沒有信號還是信號為0

• 差分曼徹斯特編碼：抗干擾能力比曼徹斯特編碼更強。bit與bit之間有信號跳變，表示下一個bit為0，bit與bit之間沒有信號跳變，表示下一個bit為1。

 

 

 

 

 

6. 信道的極限容量

1. 任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。
2. 碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。

7. 奈氏(Nyquist)准則

1. 在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，也就是沒有噪聲的干擾，碼元的傳輸速率的上限值
2. 在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。
3. 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（在頻分復用處可以體現出頻帶越寬，能夠通過的頻率上下界限越大，所攜帶的信息越多），那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。

8. 香農(Shannon)公式

香農(Shannon)用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率。

信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為

​

C = W log2(1+S/N) b/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。

可以發現，減少速度和增大功率能提高准確度。
信道的帶寬或信道中的信噪比(S/N)越大，則信息的極限傳輸速率C就越高；
只要信息傳輸速率小於信道的極限傳輸速率C，就一定能實現某種無差錯傳輸；
若帶寬W或信噪比(S/N)沒有上限，則極限傳輸速率C也沒有上限(實際中不可能)；
實際上，信道最高傳輸速率要比C低不少；

9. 奈氏(Nyquist)准則和香農公式的應用范圍

 

四、物理層下面的傳輸媒體

1. 導向傳輸媒體

導向傳輸媒體中，電磁波沿着固體媒體傳播

雙絞線

同軸電纜

1. 50歐姆同軸電纜(基帶同軸電纜)——用於數字傳輸，多用於基帶傳輸；

2. 75歐姆同軸電纜(寬帶同軸電纜)——用於模擬傳輸，多用於帶通傳輸；

光纜：
網線：

1. 直通線——雙絞線夾線順序兩端一致(1白橙2橙3白綠4藍5白藍6綠7白棕8棕，口訣“橙白橙/綠白藍/藍白綠/棕白棕”)，直通線應用最廣，這種類型的以太網電纜用來實現以下連接：主機到交換機/集線器，路由器到交換機/集線器
2. 交叉線——一般不同設備連接用直通線，同類設備用交叉線。也用於集線器到交換機，路由器到主機連接。
3. 現在網卡能夠自動協商，所以交叉線和直通線已經無所謂了，連錯了也沒關系。

光纖：

1. 單模光纖——只能傳輸一種電磁波；直徑小；用於有線電視網絡，傳播特性好，帶寬可達10GHz，可以在一根光纖中傳輸60套PAL-D電視節目。
2. 多模光纖——能傳輸多種電磁波；直徑大；

2. 非導向傳輸媒體

非導向傳輸媒體指自由空間，其中的電磁波傳輸稱為無線傳輸。

電信領域使用的電磁波的頻譜如下

1. 無線傳輸所使用的頻段很廣。
2. 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。
3. 微波在空間主要是直線傳播。
   • 地面微波接力通信
   • 衛星通信

3. 物理層設備

集線器：
工作特點是在網絡中只起到信號放大和重發作用，目的是擴大網絡的傳輸范圍，而不具備信號的定向傳送能力，不具備信號識別能力。

最大傳輸距離是100m；

集線器是一個大的沖突域(只能2台設備同時進行通信)。

 

五、信道復用技術

復用是通信技術中的基本概念。

 

 

1. 頻分復用(Frequency Division Multiplexing) FDM

1. 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. 頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）

2. 時分復用TDM (Time Division Multiplexing)

1. 時分復用則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。
2. 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）。
3. TDM 信號也稱為等時(isochronous)信號。
4. 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

3. 統計時分復用 STDM (Statistic TDM)

需要在放置前添加標記

4. 波分復用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

5. 碼分復用 CDM (Code Division Multiplexing)

1. 常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
2. 各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
3. 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。
4. 每一個比特時間划分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。

規格化內積，計算方法就是S和T對應的碼片序列每項相乘的和除以序列長

規格化內積為0是正交

例子：四個手機都接收到一個這樣的信號，計算每個手機收到碼片序列可以算出什么？使用規格化內積的方法，結果為0就是沒有信號，1或者-1說明能收到這個信號，結果為1說明該站發送的是1；結果為-1則說明該站發送的是0。

1. A：A和R的每一項相乘然后相加最后除以序列長度8等於1
2. 剩下的方法和A一樣，只有C接收不到信號

碼分復用的缺點：表示一個bit需要更多的數據。

 

五、數字傳輸系統

1. 脈碼調制 PCM 體制

1. 脈碼調制 PCM 體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。
2. 由於歷史上的原因，PCM 有兩個互不兼容的國際標准，即北美的 24 路 PCM（簡稱為 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡稱為 E1）。我國采用的是歐洲的 E1 標准。
3. E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。
4. 當需要有更高的數據率時，可采用復用的方法。

 

六、寬帶接入技術

1. xDSL技術

1. xDSL 技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務。
2. 雖然標准模擬電話信號的頻帶被限制在 300~3400 kHz 的范圍內，但用戶線本身實際可通過的信號頻率仍然超過 1 MHz。
3. xDSL 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。
4. DSL 就是數字用戶線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的前綴 x 則表示在數字用戶線上實現的不同寬帶方案。

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數字用戶線 ，把0-4kHz留給傳統電話使用，把原來沒有利用的高頻譜段留給用戶上網使用。

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,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。

 

 

 

 

 可以解釋發送時延中帶寬所描述的bit/s單位

 

 

 

 

 

 

 

 

2. 光纖同軸混合網 HFC (Hybrid Fiber Coax)

1. HFC 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。
2. HFC 網除可傳送 CATV 外，還提供電話、數據和其他寬帶交互型業務。
3. 現有的 CATV 網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它采用模擬技術的頻分復用對電視節目進行單向傳輸。而 HFC 網則需要對 CATV 網進行改造，

3. FTTx 技術

1. FTTx（光纖到……）也是一種實現寬帶居民接入網的方案。這里字母 x 可代表不同意思。
2. 光纖到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設到用戶家庭可能是居民接入網最后的解決方法。
3. 光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)：光纖進入大樓后就轉換為電信號，然后用電纜或雙絞線分配到各用戶。
4. 光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：從路邊到各用戶可使用星形結構雙絞線作為傳輸媒體。

 

七、復習

基本上熟悉下面的知識點就可以了