計算機網絡基礎-2-物理層
物理層
一、物理層概述
物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是具體的傳輸媒體。物理層的作用是要儘可能地屏
蔽掉不同傳輸媒體和通信手段。用於物理層的協議也常稱為物理層規程。
物理層主要任務：確定與傳輸媒體的接口的一些特性
機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。
電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
二、數據通信的基礎知識
數據通信系統模型：一個數據通信系統包括三大部分：源系統(發送端、發送方)、傳輸系統(傳輸網絡)、目的系統(接收端、接收方)
常用術語： 數據：運送消息的實體
信號：數據的電氣的或電磁的表現
模擬信號：代表消息的參數的取值是連續的
數字信號：代表消息的參數的取值是離散的
碼元：在使用時間域的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形
信道：一般用來表示某一個方向傳輸信息的媒體
單向通信(單工通信)：只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。
雙向交替通信(半雙工通信)：通信的雙方都可以發送消息，但不能雙方同時發送
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。
基帶信號(基本頻帶信號)：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。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。
調製分類：基帶調製：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。變換後的信號仍然是基帶信號。把這種過程成為編碼。
帶通調製：使用載波進行調製，把基帶信號的頻率範圍搬遷到較高的頻段，並轉換為模擬信號，這樣就能夠更好地在模擬信道中傳
輸(即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道)。帶通信號指的是經過載波調製後的信號。
基帶調製常用編碼方式：不歸零制：正電平代表1，負電平代表0
歸零制：正脈衝代表1，負脈衝代表0
曼徹斯特編碼：位周期中心的向上跳變代表0，位周期中心的向下跳代表1，但也可放過來定義。
差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。
注意：從信號波形可以看出，曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高。從自同步能力來看，不歸零制
不能從信號波形本身中提取信號時鐘頻率(即沒有自同步能力)，而曼徹斯特和差分曼徹斯特具有自同步能力。
帶通調製調製方法：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。為了解決這一
問題，就必須對基帶信號進行調製。
最基本的二元制調製方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化
調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化
調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化
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。如果碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的
距離越遠，或傳輸媒體的質量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。從概念上講，限制碼元在信道上的傳輸速率的因素
有以下兩個：信道能夠通過的頻率範圍(具體的信道所能通過的的頻率範圍總是有限的。信號中的許多高頻分量往往不能通過，在
任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，)
信噪比(噪聲存在於所有的電子設備和通信信道中，噪聲是隨機產生的，它的瞬間值有時會很大，但噪聲的影響是相
對的，如果信號相對較強，那麼噪聲的影響相對較小。
信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比。常記為S/N,並用分貝dB作為度量單位。記：
信噪比(dB) = 10log10(S/N) (dB)
例如：當S/N=10時，信噪比為10dB，而當S/N=1000時，信噪比為30dB。)
香農公式：香農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極限、無差錯的信息傳輸速率。
信道的極限傳輸速率C可表達為：
C = W log2(1+S/N) (bit/s)
(W代表信道的帶寬，單位為Hz。S為信道內所傳輸信號的平均功率。N為信道內部的高斯白噪聲功率)
三、物理層下的傳輸媒體
傳輸媒體也稱傳輸介質或傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳
輸媒體。在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿着固體媒體(銅線和光纖)傳播。在導引型傳輸媒體中，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。
1.導引型傳輸媒體
(1)雙絞線：最常用的傳輸媒體。模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，通信距離一般為幾到幾十公里。
屏蔽雙絞線STP和無屏蔽雙絞線UTP的區別：有無帶有金屬屏蔽層。
3類線和5類線的區別：絞合度不同。絞合度越高，抗干擾能力越強，傳輸速率越高
(2)同軸電纜：同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的數據，同軸電纜的帶寬取決於電纜的質量
50Ω同軸電纜常用於LAN / 數字傳輸，70Ω同軸電纜常用於有線電視 / 模擬傳輸
(3)光纜：光纖是光纖通信的傳輸媒體，由於可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級，因此一個光纖通信系統的傳輸帶寬遠遠大於目前其他
各種傳輸媒體的帶寬。
多模光纖：可以存在不同入射角度的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。
單模光纖：若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次全反射。
光纖優點：通信容量非常大；傳輸損耗小，中繼距離長；抗雷電和電磁干擾性能好；無串音干擾，保密性好；體積小，重量輕。
2.非導引型傳輸媒體:將自由空間稱為「非導引型傳輸媒體」，無線傳輸所使用的頻段很廣
(1)短波通信：(即高頻通信)主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差，通信速率低。
(2)微波通信：微波在空間中主要是直線傳播。傳統的微波通信有地面微波接力通信和衛星通信。
四、信道復用技術
復用是通信技術的基本概念。它允許用戶使用一個共享信道進行通信，降低成本，提高利用率。
信道復用技術分為頻分復用、時分復用和統計時分復用、波分復用、碼分復用。
1.頻分復用(FDM)：將整個帶寬分為多份，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。頻分復用的所有用戶在同樣的時間佔用
不同的帶寬資源(注意：此處的帶寬是頻率帶寬而不是數據的發送速率)
2.時分復用(TDM)：將時間劃分一段段等長的時分復用幀(TDM幀)。每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙。每個用戶所佔用的時
隙是周期性出現的(其周期就是TDM幀的長度)。TDM信號也稱為等時信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。使用時分
復用幀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。時分復用可能造成線路資源浪費。
3.統計時分復用(STDM)：提高了時分復用TDM的線路利用率
4.波分復用(WDM)：波分復用就是將光的頻分復用。使用一根光纖同時傳輸多個光載波信號。
5.碼分復用(CDMA)：常用名詞碼分多址，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
頻譜類似白噪聲，不易被敵人發現。每一個比特時間劃分m個短的間隔，稱為碼片。每個站被指派一個唯一的m bit碼片序列，例如:發送
比特1，則發送自己的mbit的碼片，發送比特0，則發送自己該碼片的二進制反碼。
碼片序列本質上實現了擴頻，假定S站要發送信息的數據率為b bit/s,由於每一個比特要轉換成m個比特的碼片，因此S站實際上發送
的數據率提高到mb bit/s,同時S站所佔用的頻帶寬度也提高到原來數值的m倍。這種通信方式是擴頻通信中的一種。擴頻通信通常有兩大類，
一種為直接序列擴頻DSSS,碼片序列就是這一類，另一種是跳頻擴頻FHSS。
CDMA的特點是每個站分配的碼片序列必須各不相同，並且還必須相互正交，在實際的系統中使用的偽隨機碼序列。碼片序列的正
交關係可描述為：
CDMA原理：
