2.1 物理层的基本概念

1. 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任何具体的传输媒体

2. 物理层的主要任务描述为：确定与传输媒体的接口上的一些特性，即：

   1. 机械特性：例如接口形状、大小、引线数目
   2. 电气特性：例如规定电压范围
   3. 功能特性：例如规定-5V表示0，+5V表示1
   4. 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

2.2 数据通信的基础知识

1. 典型的数据通信模型（通过电话网实现）：

2. 数据通信相关术语（通信的目的是传送消息）：

   1. 数据（data）：运送消息的实体（数据不一定有实际意义，但当很多数据组成消息就具有实际意义）
   2. 信号（signal）：数据的电气或电磁的表现（红绿灯、电压高低等）
   3. 模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的（声波）
   4. 数字信号：代表消息的参数的取值是离散的

   5. 码元（code）：在使用时间域的波形（在一个时间段内）表示数字信号时，则代表不同离散数据值的基本波形就称为码元

      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。而这个时间间隔被称为码元长度。1码元可以携带nbit的信息量

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受信息的信道

   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)：通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送，也不没能同时接收
   3. 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接收信息
   4. 基带信号（baseband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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号
   5. 带通信号（band pass）：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供通过信道)

   

   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几代传输的。

4. 几种最基本的调制方法：

   1. 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号变化而变化
   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

   

5. 常用编码：

   单极性不归零码：

   ​ 只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0

   双极性不归零码：

   ​ 用正电平和负电平分别表示二进制的0和1，正负幅值相等

   

   双极性归零码：

   ​ 正负零三个电平，信号本身携带同步信息

   

   ​ 这几种编码方式无法识别一堆0信号和无信号，于是出现了曼彻斯特编码

   曼彻斯特编码

   

   差分曼彻斯特编码

   

   

6. 信道的极限容量

   

   1. 奈氏准则

      1. 1924年，奈奎斯特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，码元传输的速率都是有上限的，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

         

      2. 波特和bit的区别

         

   2. 香农公式

      香农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

      

   3. 奈氏准则和香农公式的应用范围

      

2.3 物理层下面的传输媒体

1. 导向传输媒体

   导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播。

   1. 双绞线

      屏蔽双绞线 STP（外边有金属层，抗干扰强）

      无屏蔽双绞线 UTP

      铜线电阻对网速有影响

      

   2. 同轴电缆

      50Ω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

      70Ω同轴电缆：用于模拟传输，即宽带同轴电缆

      

      

   3. 光纤

      

      1. 光线在光纤中的折射

      

      2. 光纤的工作原理：光纤靠全反射传递信号

         

      3. 多模光纤与单模光纤

         

2. 非导向传输媒体

   非导向传输媒体就是指自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输

   无线传输所使用的频段很广

   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。

   微波在空间主要是直线传播，因为地球是圆的，所以微波传输需要建立一定高度的接收塔

3. 物理层设备---集线器

   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

   最大传输距离：100m

   集线器是一个很大的冲突域，在一段时间内只允许一条信道通信（半双工），现在很少见了，都被交换机替代了

2.4 信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念

1. 频分复用 FDM：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着这个频带。

   频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的宽带资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据发送的速率）

   

   

   1. 频分复用打电话时每个人的声音用不同的频率进行调制，生成的波经过设备叠加形成总波，到接收方有个分离器，用各自的频率截得波形，调制解调得到原来的声波

      

      

   2. 频分复用的例子：打电话

      复用的部分称为干道电路

      

      

2. 时分复用 TDM

   一边按照1234顺序给，另一边按照1234的顺序接收

   

   

   时分复用缺点：时分复用可能会造成线路资源的浪费。使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的（只能按照1234来传输，如果1没有信息，其他三个用户也不能用1的信道）

3. 统计时分复用

   每个用户往干道放信息时加个标记，不按顺序，谁来谁放，最后按标记收集再把标记去掉

   

4. 波分复用 WDM

   

5. 码分复用 CDM

   常用的名词是码分多址 CDMA，各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

   每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片

   1. CDMA的工作原理

      每个站被指派一个唯一的m bit码片序列，如果发送比特1，则发送自己的m bit码片序列；如果发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

      

      如果一部手机接收到信号，需要用自己的码片进行格式化内积运算，以得到要接收的信号，不同手机的码片序列必须正交

      

      

      

   2. 码分复用缺点：发送一个数据码元比特需要m个码片

2.5 数字传输系统

脉码调制PCM体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路电话。由于历史的原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为T1）和欧洲的30路PCM（简称为E1）.我国采用的是欧洲的E1标准。

E1的速率是2.048Mb/s，而T1的速率是1.544Mb/s，当需要有更高的数据率时，可采用复用的方法

2.6 宽带接入技术

1. xDSL（用数字技术对现有的模拟电话用户进行）

   

   标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz

   xDSL技术就把0~4kHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用

   

   

2. 光纤同轴混合网HFC

   HFC网是在目前覆盖面很广的有限电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带接入网

   HFC网除可传送CATV外，还提供电话、数据和其他宽带交互型业务

   现有的CATV网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而HFC网则需要对CATV网进行改造

   HFC网采用结点体系结构

   

3. FTTx技术

   FTT也是一种实现宽带居民接入网的方案。这里的字母x可代表不同的意思。

   光纤到家FTTH：

   ​ 光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法（155Mb/s）

   光纤到大楼FTTB：

   ​ 光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双绞线分配到各用户

   光纤到路边FTTC：

   ​ 从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体（155Mb/s）