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1 物理层基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

• 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
• 电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围（-5V到+5V）。
• 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义，例规定-5V表示0，+5V表示1。
• 过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2 数据通信的基础知识

2.1 典型的数据通信系统模型

发送方的计算机网卡发出数字信号即数据比特流，给调制解调器变成模拟信号，再通过广域网传播，先经过调制解调器将模拟信号转化为数字比特流，再传给接收方计算机

2.2 与通信相关的几个术语

通信的目的是传递消息

1. 数据(data)——运送消息的实体。
2. 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。

“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。
“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。

3. 码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量

2.3 有关信道的几个概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

1. 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
2. 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
3. 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

2.4 基带(baseband)信号和带通(band pass)信号

1. 基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
2. 带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

• 因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式，由于在近距离范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。
• 因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。

2.5 几种最基本的调制方法

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。

最基本的二元制调制方法有以下几种：

1. 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
2. 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
3. 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

2.6 网卡传送信号时的编码格式

1. 曼彻斯特编码

采用曼切斯特编码，一个时钟周期只可表示一个bit，并且必须通过两次采样才能得到一个bit
但它能携带时钟信号，且可表示没有数据传输

2. 差分曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码与曼彻斯特编码相同，但抗干扰性能强于曼彻斯特编码

例如：将 1000100111 进行曼彻斯特和差分曼彻斯特编码

2.7 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

数字信号通过实际的信道：

1. 有失真，但可识别
   
2. 失真大，无法识别
   

2.8 信道能够通过的频率范围

2.8.1 奈氏准则

• 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
• 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

2.8.2 香农公式

• 香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错 的信息传输速率。
• 信道的极限信息传输速率 C可表达为 ： C = W log₂(1+S/N) b/s

W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
S 为信道内所传信号的平均功率；
N 为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明:

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
3. 若信道带宽 W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。

实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

注意：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.8.3 奈氏准则与香农公式应用范围

3 物理层下传输介质

3.1 导向传输媒体

1. 双绞线
   屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
   无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
2. 同轴电缆
   50 Ω 同轴电缆：用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆
   75 Ω 同轴电缆：用于模拟传输，即宽带同轴电缆

3. 光缆
   

3.2 非导向传输媒体

1. 无线传输所使用的频段很广。
2. 短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。
3. 微波在空间主要是直线传播。

地面微波接力通信
卫星通信

3.4 物理层设备—集线器

1. 工作特点:它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力
2. 最大传输距离: 100m
3. 集线器是一个大的冲突域

4 信道复用技术

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

4.1 频分复用 FDM

1. 用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。
2. 频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。

发送端

接收端

4.2 时分复用TDM

1. 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
2. 每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）。
3. TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
4. 时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

发送端按照规律放，接收端按照规律取

4.3 统计时分复用 STDM

4.4 波分复用 WDM

波分复用就是光的频分复用。