韓立剛老師教學視頻筆記
圖片源自韓立剛老師的教學視頻和謝希仁PPT，侵刪
2.1 物理層的基本概念
物理層解決如何在連接各種計算機傳輸媒體上傳輸bit流，注意，不是指用什麼傳輸媒體（介質）
物理層主要任務：確定傳輸媒體接口的一些特性：（爲了統一規劃，標準化，各個廠商生產一致，可以通用）
機械特性：接口形狀 大小 引線數目 網線內有幾根線
電氣特性：例如規定電壓範圍
功能特性：例如規定-5V表示0 +5V表示1（電壓信號代表數字信號）
過程特性：（規程特性）規定建立連接時各個部件的工作步驟
2.2 數據通信的基礎知識
數據通信模型（圖）
相關術語
通信的目的是傳送消息
數據（data）：運送消息的實體
信號（signal）：數據的電氣或電磁表現
- –模擬信號：代表消息的參數取值連續（如電壓高低電平代表01數據）
- –數字信號：代表消息的參數取值離散
碼元（code）：在使用時間域的波形表示數字信號時，則代表不同
離散數值的基本波形就稱爲碼元
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爲二進制碼元，而這個間隔被稱爲碼元長度，1碼元可以攜帶n bit的信息量
解釋：
如果信號一共用2種可能，那麼1碼元代表1bit信息（只有高低電平）
如果信號一共用4種可能，那麼1碼元代表2bit信息，00 01 10 11，碼元有四種可能，一碼元代表2bit
……
如果信號一共用2的n次方種可能，那麼1碼元代表nbit信息。
有關信道的幾個基本概念
信道一般表示向一個方向傳送的信息的媒體。所以咱們說平常的信息線路往往包含一條發送信息的信道和一條接受信息的信道。
單向通信（單工通信）–只能發送或只能接收
例子：電視塔發送電視信號，但是電視無法向電視塔發送信號
雙向交替通信（半雙工通信）–雙方可以收發，但是不能同時發送或同時接收
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消息
例子：打電話
計算機通信大多數是半雙工和全雙工通信
基帶信號（baseband）和帶通信號（band pass）
前提：信號是會衰減的，比如人說話，當距離較遠之後，聲音就會聽不到。
基帶信號（baseband）：來自信息源的信號。
帶通信號（band pass）：把基帶信息經過載波調製後的信號（載波調製就是把信號的頻率搬到較高的頻段，以便傳輸）
因此，如果傳輸距離短，信息衰減可以接受，那就直接使用基帶信號，如果距離長，信號衰減大，那就得通過調製將基帶信號轉換爲帶通信號，以減小衰減，接收方收到後再進行解調，分析成基帶信號進行解讀。
幾種基本調製方法：
調幅
調頻
調相
具體見圖：
（數字信號的）編碼格式：
單極性不歸零碼
雙極性不歸零碼
單極性歸零碼
雙極性歸零碼
歸零碼：一次信號結尾始終爲0電壓 不歸零碼：一次信號結尾不需要歸零
單極性：只有正向和0電壓 雙極性：有正負電壓
曼徹斯特編碼：低電平跳高電平代表0 高電平條低電平代表1，可以代表沒有數據傳輸（用電平變化代表數據傳輸）
差分曼徹斯特編碼：0和1沒有固定高低電平，後面的信號是幾取決於前面的信號
信道極限容量：信號波形在實際信道傳輸時，會受到帶寬受限、噪聲、干擾等引起失真。
奈氏準則：在理想條件下，爲了避免碼間串擾（碼元太短，無法識別高低電平），碼元傳輸速率是有上限的（上一章帶寬可以無限增加嗎例子）
信噪比：帶寬受阻且有高斯白噪聲干擾的信道的情況下，信道的極限無差錯信息傳輸速率信道的極限信息傳輸速率C的計算公式：（香農公式）
C = Wlog2(1+S/N) b/s (log2是log以2爲底)
W：信道帶寬（單位Hz）
S：信道內所傳信號的平均功率
N：信道內部高斯噪聲功率
香農公式的結論：
1信道的帶寬或信道的信噪比(S/N)越大，信息極限傳輸速率越高，若W或S/N沒有上限，則C沒有上限（實際不可能）
2只要信息傳輸速率低於信道極限信息傳輸速率，則一定可以找到方法確保數據的無差錯傳輸
實際上信道所能達到的速率比香農公式計算出的低不少
例子：每分鐘說200字，外面有噪聲，降低說話速度，來確保收聽者聽到
又例如：無線網的衰減：路由器和計算機在相同房間，計算機速率150M，計算機搬到隔壁，速率只剩下100M，因爲隔了一道牆，要確保可靠傳輸就要降低速率，牆可以理解爲噪聲。
2.3 物理層下面的傳輸媒體
導向傳輸媒體：電磁波沿着固體介質傳播
雙絞線
- –屏蔽雙絞線STP（銅線絞在一起，避免電流相互作用，減少干擾）
- –無屏蔽雙絞線UTP（比上面多了一層絕緣層，避免外界干擾）
同軸電纜 （結構和有線電視的電線一樣）
- –50歐姆同軸電纜用於數字傳輸，多用於基帶傳輸，也叫基帶同軸電纜
- –75歐姆同軸電纜用於模擬傳輸，即寬帶同軸電纜
光纜
單模光纖
多模光纖
非導向傳輸媒體（無線傳輸）：無線傳輸所使用的頻段很廣。
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。
微波在空間主要是直線傳播。
- 地面微波接力通信
- 衛星通信
2.4 信道複用技術
目的：多用戶同時傳輸，不會相互影響。提高信道利用率
頻分複用 FDM(Frequency Division Multiplexing)
用戶在分配到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都佔用這個頻帶。
頻分複用的所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬資源（請注意，這裏的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。
解釋：特定的用戶使用特定的頻率波段，傳輸時採用不同頻率的波段進行調製和解調，已達到區分其他數據的目的
時分複用TDM(Time Division Multiplexing)
時分複用則是將時間劃分爲一段段等長的時分複用幀（TDM 幀）。每一個時分複用的用戶在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙。
每一個用戶所佔用的時隙是週期性地出現（其週期就是 TDM 幀的長度）。
TDM 信號也稱爲等時(isochronous)信號。
時分複用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。
時分複用可能會造成線路資源的浪費 ：
使用時分複用系統傳送計算機數據時，由於計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。
統計時分複用 STDM(Statistic TDM)
與時分複用類似，只不過每次發送時標記是哪個用戶發出的，解析時按標記解析。可以避免線路資源的浪費
波分複用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
波分複用就是光的頻分複用。
碼分複用 CDM(Code Division Multiplexing)
常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
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。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。 每一個比特時間劃分爲 m 個短的間隔，稱爲碼片(chip)。
2.5 數字傳輸系統
脈碼調製 PCM 體制：最初是爲了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。
由於歷史上的原因，PCM 有兩個互不兼容的國際標準，即北美的 24 路 PCM（簡稱爲 T1）和歐洲的 30 路 PCM（簡稱爲 E1）。我國採用的是歐洲的 E1 標準。
E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。當需要有更高的數據率時，可採用複用的方法。
E1取樣8000次/s 每個碼元代表8位bit E1 採用時分複用技術 32路同時傳輸
8800032 = 2.048Mb/s
T1只有24路同時傳播，且有控制信號
8800024+8K=1.544Mb/s(8K表示控制信號)
2.6 寬帶接入技術
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數字用戶線（就是通過電話線上網）
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。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。
ADSL實現原理採用DMT技術
DMT 調製技術採用頻分複用的方法，把 40 kHz 以上一直到 1.1 MHz 的高端頻譜劃分爲許多的子信道，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。每個子信道佔據 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）進行數字調製。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。
ADSL上網圖解：
光纖同軸混合網 HFC (Hybrid Fiber Coax)（就是利用有線電視線路上網）
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。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。現有的 CATV 網是樹形拓撲結構的同軸電纜網絡，它採用模擬技術的頻分複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。
HFC 的主要特點
HFC網的主幹線路採用光纖
HFC 網將原 CATV 網中的同軸電纜主幹部分改換爲光纖，並使用模擬光纖技術。
在模擬光纖中採用光的振幅調製 AM，這比使用數字光纖更爲經濟。
模擬光纖從頭端連接到光纖結點(fiber node)，即光分配結點 ODN (Optical Distribution Node)。在光纖結點光信號被轉換爲電信號。在光纖結點以下就是同軸電纜
HFC結構示意圖
