目錄
一、基礎知識
信道的極限容量
限制碼元在信道上的傳輸速率的兩個因素
1.具體的信道所能通過的頻率範圍總是有限的。
信號中的許多高頻成分往往不能通過信道。
早在1924年，奈圭斯特就推導出著名的奈氏準則，他給出了在假定的理想條件下，爲了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率是有上限的，傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成爲不可能。
如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號的高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間的干擾
2. 奈氏準則
在物理層的數據通信中，有著名的奈氏準則。奈奎斯特(Nyquist)推導出在理想低通信道下的最高碼元傳輸速率的公式:
理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud
這裏W是理想低通信道的帶寬,單位爲赫(Hz);
Baud是波特,是碼元傳輸速率的單位,1波特爲每秒傳送1個碼元.
上式就是著名的奈氏準則.奈氏準則的另一種表達方法是:每赫帶寬的理想低通信道的最高碼元傳輸速率是每秒2個碼元。
“低通”即指低頻通過，“理想低通信道”即指理想的能讓部分低頻率信號通過的信道（只要不要超過這個低頻率信號範圍都可無失真的通過）。
“信道”，一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體，因此一條通信電路往往含一條發送信道和一條接收信道。而“理想的信道”指沒有噪聲的信道。
噪聲，指因傳輸系統造成的各種失真，例如導體中電子的熱振動、閃電引起脈衝錯亂等。
碼元，數字通信中對數字信號的計量單位採用碼元這個概念。一個碼元指的是一個固定時長的數字信號波形，這樣的時間間隔內的信號稱爲二進制碼元。例如可以讓1個碼元攜帶1bit的信息量，也可以讓其攜帶10bit的信息量，1碼元可以攜帶nbit的信息量，這就要靠不同的調製壓縮技術了。其定義爲每秒鐘傳送碼元的數目，單位爲"波特",常用符號"Baud"表示，簡寫爲"B"。
碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高信息的傳輸速率，就必須設法使每個碼元能攜帶更多個比特的信息量。這就需要採用多元制的調製方法。
“帶寬”（bandwidth）本來是指某個信號具有的頻帶寬度，其單位是赫（Hz）（一個特定的信號往往是由許多不同的頻率成份組成的）。
在模擬信號通信線路里，“帶寬”表示通信線路允許通過的信號頻帶範圍。例如傳統電話線路的帶寬是3.1kHz。
而在數字信號通信線路里，“帶寬”表示數字信道所能傳送的“最高數據率”，數據率也稱爲比特率。
3.香農公式
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無差錯的、極限信息傳輸速率。
信道的極限信息傳輸速率 C 可表達爲
C = W log2(1+S/N) b/s
W 爲信道的帶寬（以 Hz 爲單位）；
S 爲信道內所傳信號的平均功率；
N 爲信道內部的高斯噪聲功率。
信噪比S/N是信號功率和噪聲功率之比，常用分貝（dB）表示。即信噪比（dB）=10㏒10(S/N)(dB) 。
如當S/N=10時，信噪比= 10㏒1010=10dB，而當S/N=1000時，信噪比= 10㏒101000=30dB
香農公式表明：
信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則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，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。
若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。
實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少
4，碼分複用
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%88%86%E7%A2%BC%E5%A4%9A%E9%87%8D%E9%80%B2%E6%8E%A5
CDMA有兩種類型，分別爲正交型與僞隨機碼型。
1.正交型（Orthogonal Type）CDMA最常使用的正交轉換爲沃爾什轉換（Walsh Transform），主要原因爲：
(1) Walsh Transform的運算量很少，因爲不需要乘法而只需要加法的運算。
(2) Walsh Transform的基底（Basis）有正交的特性。
(3) Walsh Transform也有快速算法。
例子：假設現在要使用8點Walsh Transform來傳送兩組資料A = [1, 0, 1]和B = [1, 1, 0]，步驟如下
調製（modulation）
(1)先將資料的0轉成 -1
A = [1,-1,1], B = [1,1,-1]
- 好處是在解調時，更能夠區別0和1，而使解調錯誤率下降。
(2-1) A使用Walsh Transform的第一個channel [1,1,1,1,1,1,1,1]（即其第一個basis,矩陣的第一個row）來做調製
A_m = [1,1,1,1,1,1,1,1,|-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,|1,1,1,1,1,1,1,1,]。
(2-2) B使用Walsh Transform的第二個channel [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1]（矩陣的第二個row）來做調製
B_m = [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,|1,1,1,1,-1,-1,-1,-1,|-1,-1,-1,-1,1,1,1,1,]。
(3)將調製的結果相加M = A_m + B_m
M = A_m + B_m = [2,2,2,2,0,0,0,0,0,0,0,0,-2,-2,-2,-2,0,0,0,0,2,2,2,2]
(4)最後傳送出去的信號爲M,共有24個bit。
解調（demodulation）
(1)將接收到的資料分別和channel做內積
(1-1) M和 第一個channel [1,1,1,1,1,1,1,1]做內積得到
前八碼內積：[2,2,2,2,0,0,0,0] {\displaystyle \cdot }
中間八碼內積：[0,0,0,0,-2,-2,-2,-2] {\displaystyle \cdot }
後八碼內積：[0,0,0,0,2,2,2,2] {\displaystyle \cdot }
(1-2) M和 第二個channel [1,1,1,1,-1,-1,-1,-1]做內積得到
前八碼內積：[2,2,2,2,0,0,0,0] {\displaystyle \cdot }
中間八碼內積：[0,0,0,0,-2,-2,-2,-2] {\displaystyle \cdot }
後八碼內積：[0,0,0,0,2,2,2,2] {\displaystyle \cdot }
(2)內積結果出來若爲8，則解調爲1;若爲 -8，則解調爲 -1
(2-1)第一個channel解調出信號爲[8, -8, 8] {\displaystyle \to }
(2-2)第二個channel解調出信號爲[8, 8, -8] {\displaystyle \to }
(3)最後，將 -1還原回0
(3-1)因此，第一個channel成功還原信號爲[1, 0, 1]
(3-2)因此，第二個channel成功還原信號爲[1, 1, 0]
注意事項：
(1)使用N點Walsh Transform時，總共可以有N個channels，但是N必須是2的次方倍。
(2)除了Walsh Transform以外，其他的Orthogonal Transform也可以使用。
(3)使用Orthogonal Transform共通的問題是需要同步Synchronization
2.僞隨機碼型 （Pseudorandom Sequence Type）
優點：不需要同步 （asynchronous）
缺點：Capacity較小
碼分多址（英語：Code Division Multiple Access，即：CDMA）或分碼多重進接、碼分復存，是一種多址接入的無線通信技術。CDMA最早用於軍用通信，但時至今日，已廣泛應用到全球不同的民用通信中。在CDMA移動通信中，將話音頻號轉換爲數字信號，給每組數據話音分組增加一個地址，進行擾碼處理，然後將它發射到空中。CDMA最大的優點就是相同的帶寬下可以容納更多的呼叫，而且它還可以隨話音傳送數據信息。
CDMA技術背後的理念集中體現了由克勞德·香農描述的通信“寬且弱”的哲學。在對信息理論的研究中，香農發現了兩個利用傳輸媒介的基本方法：一種是通過非常窄的信道發送強信號，另一種是通過很寬的信道發送弱信號。強信號不允許其他信號佔用太多的空間（信道頻率），弱信號則相反。於是在理論上，寬且弱的CDMA技術遠遠優於使用多個相同的媒介單獨進行通信。[1]
二、要點總結
1.物理層要解決哪些問題？物理層的主要特點是什麼？
答：物理層要解決的主要問題：
（1）物理層要儘可能地屏蔽掉物理設備和傳輸媒體，通信手段的不同，使數據鏈路層感覺不到這些差異，只考慮完成本層的協議和服務。
（2）給其服務用戶（數據鏈路層）在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流（一般爲串行按順序傳輸的比特流）的能力，爲此，物理層應該解決物理連接的建立、維持和釋放問題。
（3）在兩個相鄰系統之間唯一地標識數據電路
物理層的主要特點： （1）由於在 OSI 之前，許多物理規程或協議已經制定出來了，而且在數據通信領域中，這些物理規程已被許多商品化的設備所採用，加之，物理層協議涉及的範圍廣泛，所以至今沒有按抽象模型制定一套新的物理層協議，而是沿用已存在的物理規程，將物理層確定爲描述與傳輸媒體接口的機械，電氣，功能和規程特性。 （2）由於物理連接的方式很多，傳輸媒體的種類也很多，因此，具體的物理協議相當複雜。
2.規程與協議有什麼區別？答：規程專指物理層協議
3.試解釋以下名詞：數據，信號，模擬數據，模擬信號，基帶信號，帶通信號，數字數據，數字信號，碼元，單工通信，半雙工通信，全雙工通信，串行傳輸，並行傳輸 。
答：數據 ：是運送信息的實體。
信號： 則是數據的電氣的或電磁的表現。
模擬數據 ：運送信息的模擬信號。
模擬信號 ：連續變化的信號。
擬信號 ：連續變化的信號。
數字信號 ：取值爲有限的幾個離散值的信號。
數字數據 ：取值爲不連續數值的數據。
碼元 (code)：在使用時間域（或簡稱爲時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。
單工通信 ：即只有一個方向的通信而沒有反方向的交互。
半雙工通信 ：即通信和雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送（當然也不能同時接收） 。這種通信方式是一方發送另一方接收，過 一 段時間再反過來。
全雙工通信 ：即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 （即基本頻帶信號） —— 來自信源的信號帶通信號 —— 把基帶信號經
過載波
帶通信號 ：把基帶信號經過載波調製後，把信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道）
3.數據在信道重的傳輸速率受哪些因素的限制？信噪比能否任意提高？香農公式在數據通信中的意義是什麼？ “比特 /每秒 ”和“碼元 /每秒 ”有何區別？
答：碼元傳輸速率受奈氏準則的限制， 信息傳輸速率受香農公式的限制，
香農公式在數據通信中的意義是：只要信息傳輸速率低於信道的極限傳信率，就可實現無差傳輸。
比特/每秒是信息傳輸速率的單位
碼元傳輸速率也稱爲調製速率、波形速率或符號速率。一個碼元不一定對應於一個比特。
4.假定某信道受奈氏準則限制的最高碼元速率爲20000碼元/秒。如果採用振幅調製,把碼元的振幅劃分爲16個不同等級來傳送,那麼可以獲得多高的數據率(bit/s)?
信道的極限容量——奈氏準則、奈圭斯特公式、信噪比、香農公式https://blog.csdn.net/cainv89/article/details/50582967
答:C=R*Log2(16)=20000/*4=80000bit/s
4. 假定要用3KHz帶寬的電話信道傳送64kb/s的數據（無差錯傳輸），試問這個信道應具有多高的信噪比（分別用比值和分貝來表示？這個結果說明什麼問題？）
信噪比（dB）=10log10(S/N)(dB)
答：香農公式：C=Wlog2（1+S/N）(b/s)
W=3khz，C=64=3log2(1+S/N) 信噪比=10log10(S/N)=64.2dB是個信噪比要求很高的信源
補充練習：在無噪聲情況下，若某通信連路的帶寬爲3kHz，採用4個相位，每個相位具有4種振幅的QAM調製技術，則該通信連路的最大信息傳輸速率爲（ ）b/s。
採用4個相位，每個相位具有4種振幅的QAM調製技術，則有16種不同的不同的組合，則1個碼元可攜帶4bit信息量，根據奈氏準則：
最高信息傳輸速率2WBaud=2×3kBaud=6000Baud=6000×4bit/s=24000b/s
5.用香農公式計算一下，假定信道帶寬爲爲3100Hz，最大信道傳輸速率爲35Kb/ｓ，那麼若想使最大信道傳輸速率增加６０％，問信噪比Ｓ/Ｎ應增大到多少倍？如果在剛纔計算出的基礎上將信噪比Ｓ/Ｎ應增大到多少倍？如果在剛纔計算出的基礎上將信噪比Ｓ/Ｎ再增大到十倍，問最大信息速率能否再增加２０％？
答：C = W log2(1+S/N) b/s
S/N = 2 C/W - 1
(S/N)1 = 235000/3100 - 1 = 2504
(S/N)2 = 21.6 * 35000/3100 - 1 = 274132
(S/N)2 / (S/N)1 ≈ 100 信噪比要增大到約100倍。
C3 = W log2(1 + (S/N)3) = W log2(1+10 * (S/N)2)
C3 / C2 = 18.5%
最大信息速率只能增加18.5%
6.假定有一種雙絞線的衰減是0.7dB/km(在 1 kHz時)，若容許有20dB的衰減，試問使用這種雙絞線的鏈路的工作距離有多長？如果要雙絞線的工作距離增大到100公里，試 應當使衰減降低到多少？
答：使用這種雙絞線的鏈路的工作距離爲=20/0.7=28.6km
衰減應降低到20/100=0.2db
7.試計算工作在1200nm到1400nm之間以及工作在1400nm到1600nm之間的光波的頻帶寬度。假定光在光纖中的傳播速率爲2*10e8m/s.
答： 公式c=fλ的應用，其中c爲光速，f爲頻率，λ爲波長。
1200nm到1400nm: 1/(1200nm/2*10^8)=166.67THz 1/(1400nm/2*10^8)=142.86THz
帶寬：166.67-142.86=23.81THz
1400nm到1600nm: 1/(1400nm/2*10^8)=142.86THz 1/(1600nm/2*10^8)=125THz
帶寬：142.86-125=17.86THz
8 爲什麼要使用信道複用技術？常用的信道複用技術有哪些？
答：爲了通過共享信道、最大限度提高信道利用率。頻分、時分、碼分、波分。
9.碼分多址CDMA爲什麼可以使所有用戶在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信而不會互相干擾？這種複用方法有何優缺點？
答：各用戶使用經過特殊挑選的相互正交的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
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。佔用較大的帶寬。
10. 共有4個站進行碼分多址通信。4個站的碼片序列爲
A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1） B：（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）
C：（－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1） D：（－1＋1－1－1－1－1＋1－1）
現收到這樣的碼片序列S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。問哪個站發送數據了？發送數據的站發送的是0還是1？
解：S•A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1， A發送1
S•B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1， B發送0
S•C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0， C無發送
S•D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1， D發送1
11.試比較xDSL、HFC以及FTTx接入技術的優缺點？
答：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。成本低，易實現，但帶寬和質量差異性大。
HFC網的最大的優點具有很寬的頻帶，並且能夠利用已經有相當大的覆蓋面的有線電視網。要將現有的450 MHz 單向傳輸的有線電
視網絡改造爲 750 MHz 雙向傳輸的 HFC 網需要相當的資金和時間。
FTTx（光纖到……）這裏字母 x 可代表不同意思。可提供最好的帶寬和質量、但現階段線路和工程成本太大。
12.爲什麼在ASDL技術中，在不到1MHz的帶寬中卻可以傳送速率高達每秒幾個兆比？
答：靠先進的DMT編碼，頻分多載波並行傳輸、使得每秒傳送一個碼元就相當於每秒傳送多個比特
13.什麼是EPON和GPON？
答：
光配線網採用波分複用,上行和下行分別使用不同的波長 無源光網絡PON的種類很多,但最流行的有以下兩種
種是以太網無源光網絡EPON( Ethernet PON),在鏈路層使用以太網協議,利用PON的拓撲結構實現了以太網的接入,
EPON的 優點是:與現有以太網的兼容性好,並且成本低,擴展性強,管理方便
另一種是吉比特無源光網絡GPON( Gigabit PON),GPON採用通用封裝方法GEM( Generic Encapsulation Method),可承載多業 務,對各種
業務類型都能夠提供服務質量保證,是很有潛力的寬帶光纖接入技術
參考文章
奈氏準則和香農公式 https://blog.csdn.net/zd2014zd/article/details/47207775
碼分多址(CDMA)的本質-正交之美：https://blog.csdn.net/dog250/article/details/6420427