目錄

• 物理層的功能
• 物理層的主要任務
• 物理層協議的型別
• • 點-點通訊線路的物理層協議
  • 廣播通訊線路的物理層協議
• 傳輸介質的主要型別
• • 雙絞線
  • 同軸電纜
  • 光纖
  • 網路使用的傳輸介質電磁波的頻譜
  • 無線通訊
  • 微波通訊
  • 衛星通訊
  • 蜂窩無線通訊
• 資料通訊的基本概念
• • 資訊(information) 、資料(data)與訊號(signal)
  • 通道
  • 資料通訊系統的模型
  • 資料傳輸型別
  • 資料通訊方式
  • • 序列通訊與並行通訊
    • 單工、半雙工與全雙工通訊
    • 同步通訊與非同步通訊
    • • 同步技術
      • • 位同步
        • 字元同步
• 資料編碼技術
• • 模擬資料的調製
  • • 模擬訊號的調製
    • 脈衝編碼調製 (pulse code modulation, PCM)
  • 數字資料編碼技術
• 多路複用技術
• • 多路複用的四種基本形式
  • • 時分多路複用（TDM）
    • • 統計時分複用 STDM (Statistic TDM)
    • 頻分多路複用（FDM）
    • 波分多路複用（WDM）
    • 碼分多路複用（CDM 或 CDMA）

物理層的功能

• 物理層處於網路參考模型的最低層，向資料鏈路層提供位元流傳輸服務。進行物理連線的建立、維護與釋放
  (主要功能)
• 資料鏈路實體通過介面將資料位元傳送給物理層，物理層將位元流按照傳輸介質的需要進行編碼，然後將訊號通過傳輸介質傳送到下一個結點的物理層
• 物理層向上層遮蔽傳輸介質和通訊手段的差異

物理層的主要任務

確定與傳輸介質的介面的一些特性：

• 機械特性：器件的形狀、尺寸、引腳數、排列方式等
• 電氣特性：介面電纜的各條線上的電壓範圍
• 功能特性：某條線上出現某一電平的意義 (例如高電平代表 ready)
• 規程特性：不同功能可能出現事件的順序 (時序關係)

物理層協議的型別

計算機網路使用的通訊通道分為兩類：

• 點-點 通訊線路，用於直接連線兩個結點
• 廣播 通訊線路，一條公共通訊線路可以連線多個結點

隨著通訊技術的快速發展，計算機網路中物理層的協議型別變化也十分迅速。只要網路採用一種新的通訊技術，相應就需要制定一種新的物理層標準。資料鏈路層、網路層、運輸層協議的型別相對比較穩定，物理層協議的型別變化是最快、最複雜的

點-點通訊線路的物理層協議

• EIA-232-E ( RS-232-C )
• 線纜資料業務介面規範(DOCSIS)：通過ADSL Modem與電話線路接入網際網路
• IEEE 802.14，電纜調變解調器(Cable modems)：有線電視電纜接入網際網路

廣播通訊線路的物理層協議

• Ethernet協議標準 IEEE 802.3
• 無線區域網協議標準 IEEE 802.11

傳輸介質的主要型別

• 有線傳輸介質 (導引型傳輸媒體)
  雙絞線，同軸電纜，光纖
• 無線傳輸介質 (非導引型傳輸媒體)
  無線電波，微波，衛星

雙絞線

• 雙絞線由按規則螺旋結構排列的2根、4根或8根絕緣導線組成
• 絞合有效的抑制了電線的串擾，減少訊號衰減

雙絞線分為兩類：

• 遮蔽雙絞線（STP）與 非遮蔽雙絞線（UTP）

按傳輸特性雙絞線分為不同類別：

• 第一類：主要用於傳輸語音，不用於資料傳輸
• 第二類：資料傳輸最高速率4Mbps
• 第三類：資料傳輸最高速率10Mbps ，主要用於10base-T
• 第四類：資料傳輸最高速率16Mbps
• 第五類：資料傳輸最高速率100Mbps，主要用於100base-T和10base-T網路，最常用的乙太網電纜
• 超五類線、六類線：傳輸速率1Gbps
• 超六類、七類線：傳輸速率10Gbps

一般用五類線

同軸電纜

同軸電纜根據頻寬 (頻頻寬度) 可以分為兩類：

• 基帶同軸電纜
  在基帶模式中，電纜的頻寬完全用於單一的一個數據流。如此高的頻寬容量支援高資料速率的傳輸。基帶技術廣泛應用於區域網中，因為任何時刻區域網上都只有一個數據流
• 寬帶同軸電纜 (有線電視)
  採用寬頻模式時，頻寬被劃分為幾個範圍。通常每一個頻率範圍都攜帶著各自的編碼資訊，這樣就可以在一根電纜上同時傳輸多個數據流

光纖

• 光纖由不受電磁干擾和噪音干擾的玻璃或塑料製成。傳輸速度快，抗干擾，傳輸距離遠
• 主要用於高速、大容量、點到點的資料傳輸，一根光纜可以取代數百對雙絞線
• 分單模光纖和多模光纖

光纖的結構與工作原理
光纖通過內部的全反射來傳輸一束經過編碼的光訊號

典型的光纖傳輸系統結構

• 傳送端使用發光二極體LED或注入型鐳射二極體ILD作為光源；接收端使用光電二極體PIN或APD檢波器將光訊號轉換成電訊號

多模光纖與單模光纖

• 多模是指光線訊號與光纖軸成多個可分辨角度的多路光載波傳輸。單模是單路傳輸。單模效能優於多模，但造價高。直徑只有幾個微米，纖芯極細
• 單模適於遠距離傳輸；多模適於近距離傳輸(光和光之間有相互干擾)

網路使用的傳輸介質電磁波的頻譜

高頻無線電波被劃分為多個特定的頻段，分別分配給行動通訊、廣播、無線電導航、業餘電臺、宇宙通訊與射電天文等

無線通訊

不同波長（或頻率）的無線電波，傳播特性往往不同，應用於通訊的範圍也不相同

微波通訊

• 頻率在300MHz～300GHz之間的訊號為微波訊號
• 微波訊號只能進行視距傳播（直線傳播）

衛星通訊

衛星通訊的通訊距離遠、覆蓋面積大、不受地理條件限制、通訊通道頻寬大、可進行多址通訊與行動通訊的優點，是現代主要的通訊手段

蜂窩無線通訊

• 小區制：在每個小區(cell)中設立一個基站，通過基站在使用者的移動終端之間建立通訊
• 由於區群的結構酷似蜂窩，因此小區制移動通訊系統又稱為蜂窩移動通訊系統。採用蜂窩結構就可以使用同一組頻率在若干個相隔一定距離的小區重複使用，從而達到節省頻率資源的目的

資料通訊的基本概念

資訊(information) 、資料(data)與訊號(signal)

通訊的目的是交換資訊，資訊的載體是資料，可以是文字、語音、圖形或影象

• 資料可以分為模擬資料(連續變化的資料)和數字資料(離散的資料)
• 計算機中的資料都是數字資料，用二進位制程式碼來

資料要以（物理的）訊號的方式傳輸。訊號是資料在傳輸過程中的電氣或電磁表現

訊號分為模擬訊號(analog signal)與數字訊號 (digital signal)兩類

模擬資料也可以用數字訊號傳輸，數字資料也可用模擬訊號傳輸

• 碼元，承載資訊量的基本訊號單位。在使用時域的波形表示數字訊號時，代表不同離散數值的基本波形稱為碼元。1碼元可以攜帶 n n n b i t bit bit 的資訊量
  如：使用8個基本波形表示8個電平級，則 n = 3 n=3 n=3。也可以是8種不同振幅、不同頻率、不同相位
• 碼元傳輸速率，也叫波特率。每秒鐘傳送碼元的數目，單位“波特，Baud”
• 資訊傳輸速率，也叫位元率。指單位時間傳遞的平均資訊量或位元數，單位為b/s

轉載知乎一個回答，歸納的很簡潔：
一個碼元就是一個脈衝訊號，一個脈衝訊號有可能攜帶1bit資料，也有可能攜帶2bit資料、4bit資料！你傳送一個脈衝訊號，如果就可以攜帶4bit資料，肯定傳送速率更快啊！那麼怎麼實現一個脈衝訊號就能攜帶多個bit資料呢？就需要一定的技術了，比如設定模擬訊號中訊號的頻率、相位、振幅啥的
舉個例子：把振幅分成四種，低（00）、中（01）、高（10）、很高（11），這樣我發一個脈衝訊號，它的振幅是低，那就說明發送的是00（也就是2bit），它的振幅是中（01），傳送的就是01（也就是2bit）……也就實現了一個脈衝訊號，攜帶2bit的功能…（舉個不恰當的例子讓大家理解而已，明白啥意思就行）
再說一次，一個碼元就是一個脈衝訊號！波特率指的就是1秒能傳送多少個碼元，也就是1秒能傳送多少個脈衝訊號！一個碼元能攜帶1bit資料，那麼位元率 = 波特率！一個碼元能攜帶2bit資料，那麼位元率 = 2倍的波特率！一個碼元能攜4bit資料，那麼位元率 =4倍的波特率！

1 B a u d = l o g 2 M ( b i t / s ) 1 Baud = log_2M (bit/s) 1Baud=log2​M(bit/s) M M M 是訊號的編碼級數

通道

• 通道（channel）指資訊的傳輸通道，表示向某一個方向傳送資訊的媒體（media）

通道與電路的區別：一條（物理的）通訊電路可以包含多個（抽象的）通訊通道

• 通道的頻寬就是它的頻譜的寬度，即通道能傳送的頻率範圍。對數字通道，通常以通道每秒能傳送的二進位制位數（bps） 來表示頻寬。
  通道頻寬的影響因素：
  − 受制於傳輸介質的頻寬（由材質、直徑及長度決定）
  − 受制於電路中的濾波器（頻率範圍）

• 通道頻寬必須大於被傳送的訊號的頻寬，否則就會出現失真(碼間串擾)

• 碼元傳輸的速率越高，或訊號傳輸的距離越遠，在通道的輸出端的波形的失真就越嚴重
  在任何通道中，碼元傳輸的速率是有上限的，傳輸速率超過此上限，就會出現碼間串擾

通道的極限容量
從概念上講，限制碼元在通道上的傳輸速率的因素有以下兩個：

• 通道能夠通過的頻率範圍。通道所能通過的頻率範圍總是有限的。訊號中的許多高頻分量往往不能通過通道
• 信噪比。噪聲是隨機產生的，瞬時值有時會很大，會使接收端對碼元的判決產生錯誤。但噪聲的影響是相對的。如果訊號相對較強，那麼噪聲的影響就相對較小

Nyquist 準則 (奈氏準則)

給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值

W W W 為通道頻寬，理想低通訊道的最高碼元傳輸速率 R R R：
R = 2 W ( B a u d ) R=2W(Baud) R=2W(Baud)

理想低通訊道的最大資料傳輸速率為：
R = 2 W l o g 2 M （ b i t s / s ） R= 2W log_2M （bits/s） R=2Wlog2​M（bits/s）

如果通道的頻帶越寬，也就是能夠通過的訊號高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾

Shannon定理(夏農定理)

頻寬受限且有噪聲干擾的通道的極限、無差錯的(最大)資料傳輸速率

C = W l o g 2 ( 1 + S / N ) （ b i t s / s ） C = W log_2(1+S/N) （bits/s） C=Wlog2​(1+S/N)（bits/s）

• W W W 為通道的頻寬（以 H z Hz Hz 為單位）
• S S S 為通道內所傳訊號的平均功率
• N N N 為通道內部的高斯噪聲功率
• S / N S/N S/N 信噪比，常用分貝( d B dB dB)表示， 1 d B = 10 l o g 10 S / N 1dB=10 log_{10} S/N 1dB=10log10​S/N

通道的頻寬或通道的信噪比越大，資訊的極限傳輸速率就越高

考試的時候會給出公式

例
假設一條通道的頻寬為3000Hz，信噪比為30dB，求該通道的最大資料傳輸率
解
S / N = 1 0 30 / 10 = 1000 C = 3000 ∗ l o g 2 ( 1 + 1000 ) ≈ 30000 （ b i t s / s ） S/N=10^{30/10}=1000\\ C=3000*log_2(1+1000)≈30000（bits/s） S/N=1030/10=1000C=3000∗log2​(1+1000)≈30000（bits/s）

資料通訊系統的模型

一個數據通訊系統包括三大部分

• 源系統（或傳送端、傳送方）
• 傳輸系統（或傳輸網路）
• 目的系統（或接收端、接收方）

資料傳輸型別

資料傳輸型別（通道所允許傳輸的訊號）：

• 模擬通訊 （數字資料 / 模擬資料 用 模擬訊號傳輸）
• 數字通訊（數字資料 / 模擬資料 用 數字訊號傳輸）

資料通訊方式

序列通訊與並行通訊

單工、半雙工與全雙工通訊

同步通訊與非同步通訊

• 同步是保持通訊雙方在時間基準上保持一致的過程

假設接收端和傳送端時間基準不同，T=0.5mm，T′=0.6mm，則第6位接收出現錯誤

同步技術

位同步

• 在傳送端對每位資料都要附加同步資訊（外同步），這種方式傳輸效率比較高，但要附加一條傳輸時鐘脈衝的通訊線路

• 解決這個問題的辦法是對數字訊號編碼，如曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼，可以從資料訊號波形中提取同步訊號，稱內（自）同步

字元同步

同步式(synchronous)：

• 同步傳輸將字元組織成組，以組為單位連續傳送
• 每組字元之前加上一個或多個用於同步控制的同步字元SYN，每個資料字元內不加附加位
• 接收端接收到同步字元SYN後，根據SYN來確定資料字元的起始與終止，以實現同步傳輸的功能

非同步式(asynchronous):

• 非同步傳輸的每個字元作為一個獨立整體進行傳送，字元之間的時間間隔可以任意
• 為了實現同步，每個字元的第一位前加1位起始位（邏輯“1”），最後一位後加1或2位終止位（邏輯“0”）

資料編碼技術

模擬資料的調製

模擬訊號的調製

• 圖 ( a ) (a) (a) 是輸入訊號，又稱為調製訊號，頻率較低，而通道上低頻訊號難以傳播，因此需要利用載波提高頻率
• 圖 ( b ) (b) (b) 是載波訊號
• 圖 ( c ) (c) (c) 是調幅波和調頻波訊號，表達出原始波形

脈衝編碼調製 (pulse code modulation, PCM)

PCM操作包括3個部分/步驟：取樣、量化與編碼

• 取樣是隔一定的時間間隔，將模擬訊號的電平幅度取出作為樣本，讓其表示原來的訊號
• 量化是將樣本值按量化級決定取值的過程（離散化）
• 編碼是用相應位數的二進位制程式碼表示量化後的樣本的量級

數字資料編碼技術

• 基帶訊號（即基本頻帶訊號）: 來自信源的訊號。像計算機輸出的代表各種文字或影象檔案的資料訊號都屬於基帶訊號

基帶訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多通道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶訊號進行調製 (modulation)。調製分為兩大類：

• 帶通調製(模擬資料編碼技術)：使用載波 (carrier)進行調製，把基帶訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換為模擬訊號，這樣就能夠更好地在模擬通道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過通道） 。帶通訊號 ：經過載波調製後的訊號
• 基帶調製(數字資料編碼技術)：僅對基帶訊號的波形進行變換，使它能夠與通道特性相適應。變換後的訊號仍然是基帶訊號。把這種過程稱為編碼(coding)

調製與解調

• 將傳送端資料訊號變換成模擬資料訊號的過程稱為調製
• 將接收端模擬資料訊號還原成資料訊號的過程稱為解調

在調製過程中，選擇頻率範圍內的某一角頻率 ω ω ω 的正（餘）弦訊號作為載波，該正（餘）弦訊號可以寫為：
u ( t ) = u m ⋅ sin ⁡ ( ω t + φ 0 ) u(t)= u_m\cdot \sin(ωt+φ_0) u(t)=um​⋅sin(ωt+φ0​)

• 3個可以改變的電參量：
  振幅 u m u_m um​ —— 幅移鍵控 ASK
  角頻率 ω ω ω ——頻移鍵控 FSK
  相 位 φ φ φ ——相移鍵控 PSK

模擬資料編碼方法

幅移鍵控 (amplitude shift keying, ASK)

幅移鍵控ASK訊號實現容易，技術簡單，但抗干擾能力較差

頻移鍵控 (frequency-shift keying, FSK)

頻移鍵控FSK訊號實現容易，技術簡單，抗干擾能力較強，是目前最常用的調製方法之一

相移鍵控 (phase-shift keying, PSK)
相移鍵控可以分為：絕對調相、相對調相

• 絕對調相 ：用相位的絕對值來表示所對應的數字訊號。
  
  
• 相對調相用載波在兩位數字訊號的交接處產生的相位偏移來表示載波所表示的數字訊號

數字資料編碼方法

1. RZ（Return Zero）編碼
   RZ編碼即歸零碼，特點是在一個週期內，用二進位制傳輸資料位，在資料位脈衝結束後，需要維持一段時間的低電平

2. NRZ與NRZI編碼
   NRZ (Non Return Zero) ：正電平“0”，負電平“1”
   

NRZI (Non Return Zero Inverted)：有變化“1”，無變化“0”

缺點：無法判斷某一位的開始和結束，要保持同步必須用另外一個通道傳送同步訊號

3. 曼徹斯特編碼
   曼徹斯特編碼的規則是：每週期的前 T / 2 T/2 T/2 傳送該位元的反碼，後 T / 2 T/2 T/2 傳送該位元的原碼；即單位時間內低電平到高電平的變化表示‘1’ ；高電平到低電平的變化表示‘0’

優點是：每個位元的中間有一次電平跳變，產生收發雙方的同步訊號，稱為“自含時鐘編碼”訊號。

差分曼徹斯特編碼
差分曼徹斯特編碼：位間電平發生變化表示‘0’；位間電平不發生變化表示‘1’
( 每位元的中間跳變僅做同步使用，每位元的值根據開始邊界是否跳變來決定 )

多路複用技術

複用 (multiplexing) 允許使用者使用一個共享通道進行通訊，降低成本，提高利用率

• 傳送方將多個使用者的資料通過複用器彙集，並將彙集的資料通過一條物理線路傳送到接收方
• 接收方通過分用器將資料分離成各個單獨的資料，然後分發給接收方的多個使用者

多路複用的四種基本形式

時分多路複用（TDM）

• 主要用於數字通道的複用
• 原理：當物理通道可支援的位傳輸速率超過單個原始訊號要求的資料傳輸速率時，可以將該物理通道劃分成若干時間片，並將各個時間片輪流地分配給多路訊號，使得它們在時間上不重疊

• 將時間劃分為一段段等長的時分複用幀（TDM幀）
• 每一個時分複用的使用者在每一個 TDM 幀中佔用固定序號的時隙(分得一個時間片)。所有使用者在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度(全部頻寬)

使用時分複用系統傳送計算機資料時，由於計算機資料的突發性質，使用者對分配到的子通道的利用率一般不高，可能會造成線路資源的浪費

統計時分複用 STDM (Statistic TDM)

也稱動態時分多路複用，各通道傳送的資料需帶有雙方地址，由多路複用裝置識別地址，確定輸出通道

頻分多路複用（FDM）

• 設定多個頻率互不重疊的通道，主要用於模擬通道的複用
• 原理：不同的傳輸媒體具有不同的頻寬（訊號不失真傳輸的頻率範圍）。對整個物理通道的可用頻寬進行分割，並利用載波調製技術，實現原始訊號的頻譜遷移，使得多路訊號在整個物理通道頻寬允許的範圍內，實現頻譜上的不重疊，從而共用一個通道。為了防止多路訊號之間的相互干擾，使用隔離頻帶來隔離每個子通道
• 工作過程：先對多路訊號的頻譜範圍進行限制（分割頻帶）， 然後通過變頻處理，將多路訊號分配到不同的頻段

波分多路複用（WDM）

• 在一根光纖上覆用多路光載波訊號，是光頻段的頻分多路複用技術

碼分多路複用（CDM 或 CDMA）

碼分複用 Code Division Multiplexing
分碼多重進接 Code Division Multiple Access

• 在同一頻段的不同的通道採用經過特殊挑選的碼型，使得多個使用者相互之間不產生干擾
• 這種系統傳送的訊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

碼片序列

• 每個傳送站被指派一個唯一的 m b i t m\ bit mbit 碼片序列
  如傳送位元 1，則傳送自己的 m b i t m\ bit mbit 碼片序列
  如傳送位元 0，則傳送該碼片序列的二進位制反碼
  例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011 (S 站的碼片序列(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1))
  傳送位元 1 時，就傳送序列 00011011，傳送位元 0 時，就傳送序列 11100100。
• 在實用的系統中是使用偽隨機碼序列
• 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(orthogonal)

• 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

• 一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積值是 –1

• 所有的站使用相同頻率，能夠收到所有的站傳送的訊號
• 藉助正交關係，只接受發向本站的訊號，過濾掉髮給其他站的訊號