一、物理層的基本概念

1.物理層主要目的：在傳輸媒體上透明傳輸比特流；

2.物理層主要任務：確定與傳輸媒體的接口有關的一些特徵：

1.機械特徵：指明接口所用接線器的形狀、尺寸、引腳數和排列等等；
2.電氣特徵：指明接口電纜上各條線出現的電壓範圍；
3.功能特徵：指明某條線上出現某一電平的電壓的意義；
4.過程特徵：指明對於不同功能的各種可能事件出現順序；
數據在計算機中多采用並行傳輸，在通信線路上，一般都是串行傳輸，主要出於經濟上考慮；

注：物理層不是傳輸媒體，而是確定傳輸媒體的接口特性。

二、數據通信的基礎知識

1、數據通信的模型

1、通信系統一般可劃分爲三大部分：

1.源系統：包括信源和發送器（調制解調器）；
2.傳輸系統：可能是簡單的傳輸線也可能是複雜的網絡系統；
3.目的系統：接收器（調制解調器）和信宿；

2.調制解調器：可在源系統將數字比特流轉換爲模擬信號。在目的系統將模擬信號轉換爲數字比特流。
3、幾個術語

1.數據:運行信息的載體；
2.信號:數據的電氣或電磁表現；
3.模擬信號:波動持續變化，包含無窮多個值；
4.數字信號:離散，躍變，包含有限個值；
5.碼元: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。
是時間軸上的一個信號單元
對於基帶數字通信而言，一個數字脈衝相當於一個碼元
對於模擬頻帶通信，載波的某個參數或者某幾個參數的變化就是一個碼元
碼元速率RB（波特率/調製速率）：信號每秒鐘變化的次數單位：波特
數據率Rb（比特率）：信號每秒鐘傳輸的二進制位數單位 bps b/s
Rb = RB * lg V （V爲信號的狀態數即碼元）【lg V 爲比特位數。8個碼元可由3個比特位表示】

2、有關信道的幾個基本概念

1、信道：向某一個方向傳送信息的媒體。通信電路不同，通常一條通信電路包含一條發送信道和一條接收信道。

2、單工通信：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互，如無線電廣播。
3、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，也就不能同時接收。
4、雙工通信：通信的雙方可以同時發送和接收信息。
5、基帶信號：來自信源的信號。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。
6、基帶傳輸：在信道中直接傳輸基帶信號。
7、帶通信號：經過載波調製後的信號（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道）。
8、頻帶傳輸：將基帶信號調製成模擬信號後傳輸。
注意：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。因此必須對基帶信號進行調製。

5.基帶信號調製

調製兩分大類，

基帶調製：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，變換後的信號任然是基帶信號；
帶通調製：需要使用載波進行調製，即把信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸；

6.帶通調製的常用方法

1.調幅
2.調頻
3.調相
爲達到更高信息傳輸速率，必須採用更爲複雜的多元制振幅相位混合調製方法。【正交振幅調製】

3、信道的極限容量

1、基本概念：

信道帶寬（W）：通訊信道的“帶寬”是指信道可以不失真地傳輸信號的頻率範圍。
信道容量:表示信道的傳輸能力，是指信道在單位時間內可以傳輸的最大信號量（即最大信號傳輸率）。通常表示爲單位時間內可傳輸的最大比特位數（即最大數據傳輸率）。
信道容量和信道帶寬具有正比的關係：帶寬越大，容量越大。

2、信道的極限容量:

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。信號或數據傳輸率越高、信號傳輸距離越遠、干擾越大，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重，如果接收方還能夠識別失真的信號，則失真對通訊無影響。
限制信號或數據在信道上的傳輸速率的主要因素有以下兩個：“信道帶寬”和“信噪比” ；

3、奈奎斯特定理：【無噪音的理想信道】

1.碼間串擾：接收端收到的信息失去了碼元之間的清晰界限而無法識別。
給出了在假定的理想條件下，爲了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。
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，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。
定理內容：設信道帶寬W、每個採樣週期中信號的狀態最多有V種碼元，則在無噪音情況下信道的最大數據傳輸速率爲：
Cmax = 2W*log 2V (bps)

4、香濃定理【有噪音的信道】

1.信噪比（噪音）：信號平均功率與噪聲平均功能之比，記做S/N
信噪比=10ln(S/N) (dB)
【例】當S/N=1000時信噪比爲30dB
2.定理內容：Cmax = W * log2(1+S/N) (bit/s)
3.香農公式表明：

1.信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則數據的極限傳輸速率就越高。
2.只要數據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。
3.若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限，則信道的極限數據傳輸速率Cmax 也就沒有上限。

4.提高信道傳輸速率上限的方法：

1.提高帶寬（根據香濃公式）；
2.提高信噪比（根據香濃公式）；
3.讓一個碼元攜帶更多比特信息（根據奈氏準則）；

【例】有一帶寬爲3khz的理想低通信道，求其最高碼元速率，若一個碼元能運載3位二進制信息，求信道容量?

 解：V =8，根據奈奎斯特定理可知
Cmax = 2W*log 2V = 2*3000*log 28=18000(bps)
∵比特率 = 波特率單個碼元對應的二進制位數。
∴Bmax=Cmax÷3=18000÷3=6000(Band)  【2W 即可】

三.傳輸媒體

1、導向傳輸媒體（電磁波沿着固體媒介傳播）

1、雙絞線：又稱“雙扭線”，連接電腦常用8芯無屏蔽雙絞線；

屏蔽雙絞線 STP ：有金屬屏蔽層；
無屏蔽雙絞線 UTP：無金屬屏蔽層；
絞合作用：減少相鄰導線之間的電磁干擾；
傳輸信號：數字信號、模擬信號；
傳輸距離：十幾公里；導線越粗傳輸越遠。；

2、同軸電纜：常用於有線電視網；

50 W 同軸電纜 —— LAN / 數字傳輸常用
75 W 同軸電纜 —— 有線電視 / 模擬傳輸常用
帶寬取決於電纜的質量

3、光纖 （即光導纖維），不受外界電磁干擾，直徑8—100 um；
多模光纖：直徑相對較大，可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸的光纖；
單模光纖：光纖直徑小到光的波長時，光線就一直向前傳播而不發生多次反射的光纖（傳播的距離比多模光纖遠）
光纖工作原理：入射角足夠大會產生全反射

2、非導向傳輸媒體

1、無線電傳輸：收音機
2、微波傳輸：主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差
3、紅外線：遙控器
4、光波

四、信道（多路）複用技術

1、多路複用技術

發送方使用複用器將多個用戶數據合起來共享一條物理線路傳輸到接收端，接收端再使用分用器將數據分離成各個單獨數據，分發給接收方多個用戶。
多路複用的常用四種基本形式
頻分多路複用
波分多路複用
時分多路複用
碼分多路複用

2、頻分多路複用

1.基本原理：在一條通信線路上設置多個信道，每路信道的信號以不用載波頻率進行調製；即：多個用戶在同一時間內佔用不同的頻率帶寬；

【例】一通信線路可用帶寬96KHZ，每個信道4KHZ，則該線路可以複用24個信號。每個信道分配給一個用戶，可同時爲24對用戶提供服務；

2、時分多路複用

1.基本原理：所有用戶在不同時間佔用相同的頻帶寬度；
同步時分多路複用→將時間片預先分配給各個信道，並且時間片固定不變；
統計時分多路複用→允許動態地分配時間片；

3、波分多路複用

光的頻分多路複用，用於光纖通訊；

4、碼分多路複用

碼分多路的特徵：

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的抗干擾能力很強，其頻譜類似於白噪聲，不易被發現。
每一個比特時間劃分爲 m 個短的間隔，每個間隔稱爲一個碼片，m個碼片構成一個碼元。
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。

例如:S 站分配的 8 bit 碼片序列是 00011011（一個碼元）。
發送比特 1 時，就發送序列 00011011。
發送比特 0 時，就發送序列 11100100。
S 站的碼片序列：(–1–1–1+1 +1–1 +1 +1)

碼分多路複用的工作原理：

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。

這種正交滿足下列特徵：

1.令向量S表示站S的碼片向量，令 T 表示其他任何站T的碼片向量，令T1表示其他任何站T的碼片反碼的向量，兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化內積是0,同時向量S和T1的規格化內積也是0：

例如：令向量S爲(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量T爲(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)

2.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 。
3.一個碼片向量和自身反碼的向量的規格化內積值是–1。

當接收站打算接收S站發送的信號時，就用S站的碼片序列與收到的複用信號求規格化內積

五、數字傳輸系統

1、脈衝編碼調製方法：

數字信號傳輸失真小、誤碼率低、數據傳輸速率高，因此在網絡中除計算機直接產生的數字外，語音、圖像等信息的模擬數據進行數字化已成爲發展的必然趨勢。
脈衝編碼調製是模擬數據數字化的主要方法。
主要內容。
1、採樣—》採樣定理：如果以>=信道帶寬2倍的速率定時對信號進行採樣。其樣本可以包含足以重構原模擬信號的所有信息。
2、量化:將信號分爲若干量化級。量化成多少級，根據精度要求。級數應爲2n
3、編碼:若有K個量化級，則需要log2K位二進制編碼。

2、數字數據編碼方法

【信號頻率和自同步能力3,4較高】

1、不歸零碼（波特率=數據率）：用低電平表示“0”、用高電平表示“1”、需要另一信道傳輸同步信號，以保證收發雙方同步，否則無法判斷一位開始與結束。
2.歸零碼：用低電平表示“0”、用高電平表示“1”。
3、曼徹斯特編碼（波特率=2*數據率）：每比特的週期T分爲前T/2和後T/2，前T/2傳送該比特反碼，後T/2週期傳送該比特原碼
特點：無需另發同步信號、效率低，若信號傳輸速率爲10MBPS，則發送頻率應爲20MHZ。
4、差分曼徹斯特編碼（波特率=2*數據率）對曼徹斯特編碼的改進。比特中間跳變僅做同步用，每比特值根據其開始邊界是否跳變來決定，有跳變表示“0”，無跳變表示“1”。

六、寬帶接入技術

1、ADSL技術（非對稱數字用戶線）

xDSL技術簡介：
1、DSL 就是數字用戶線的縮寫。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。
2、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。
3、xDSL技術把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；40KHZ~1.2MHZ劃分出許多子信道，每個子信道4KHZ，其中25個子信道用於上行信道，249個用於下行信道。
ADSL 的特點
1.上行和下行帶寬做成不對稱的。
2.上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶。
3.ADSL 在用戶線的兩端各安裝一個 ADSL 調制解調器。我國目前採用的方案是離散多音調 DMT 調製技術。
ADSL中的DMT 技術
1.DMT 調製技術採用頻分複用的方法，40KHZ~1.2MHZ劃分出許多子信道，每個子信道4KHZ，其中25個子信道用於上行信道，249個用於下行信道，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。

2.6.2、光纖同軸混合網（HFC網）

HFC 網是在有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬帶接入網。除可傳送 CATV 外，還提供電話、數據和其他寬帶業務。
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。
它將有線電視網的同軸電纜主幹部分改用光纖。
HFC 的主要特點如下：
1.HFC網的主幹線路採用光纖；
2.HFC 網採用結點體系結構；
3.HFC 網具有比 CATV 網更寬的頻譜，且具有雙向傳輸功能；
每個家庭要安裝一個用戶接口盒，該盒提供3種連接：
①.使用同軸電纜連接到機頂盒，然後接電視機；
②.使用雙絞線接到電話線；
③.使用電纜調制解調器連接到計算機；

2.6.3、FTTX技術

FTTx（光纖到……）è也是一種實現寬帶居民接入網的方案。這裏字母 x 可代表不同意思。
①.光纖到家 FTTH
②.光纖到大樓 FTTB ：光纖進入大樓後就轉換爲電信號，然後用電纜或雙絞線分配到各用戶。
③.光纖到路邊 FTTC：從路邊到各用戶可使用星形結構雙絞線作爲傳輸媒體。

【網絡原理】物理層