一、基本概念

物理層解決如何在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體
物理層的主要任務：確定傳輸媒體的介面的一些特性，包括，
機械特性：介面形狀，大小，引線數目
電氣特性：例如規定電壓範圍(-5V-5V)
功能特性：例如規定-5V上0，+5V是1
過程特性：也稱規程特性，規定建立連線時各個相關部件的工作步驟

二、資料通訊的基礎知識

通訊的目的是傳送資訊

1. 相關術語

1. 資料(data)——運送訊息的實體。

2. 訊號(signal)——資料的電氣的或電磁的表現。

   • “模擬的”(analogous)——代表訊息的引數的取值是連續的。
   • “數字的”(digital)——代表訊息的引數的取值是離散的。

3. 碼元(code)——在使用時間域(或簡稱為時域)的波形表示數字訊號時，代表不同離散數值的基本波形。

2. 通道的基本概念

通道一般表示向一個方向傳輸資訊的媒體。所以通訊線路往往包含一條傳送資訊的通道和一條接收資訊的通道。

1. 單向通訊(單工通訊)——只能有一個方向的通訊，沒有反向互動。
2. 雙向交替通訊(半雙工通訊)——通訊的雙方都可以傳送資訊，但是不能雙方同時傳送或接收。
3. 雙向同時通訊(全雙工通訊)——通訊的雙發可以同時傳送和接收。

3. 基帶(baseband)訊號和 帶通(band pass)訊號

基帶訊號：(基本頻率訊號)——來自信源的訊號，例如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。基帶訊號就是發出的直接表達了要傳輸的資訊的訊號，比如說我們說話的聲波。帶通訊號

因此在傳輸距離較近時，採用基帶傳輸方式(衰減不大，訊號內容不會變化)。傳輸距離較遠時，採用帶通傳輸方式，例如從計算機到監視器，印表機等外設的訊號。

4. 幾種最基本的調製方法

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。為了解決這一問題，就必須對基帶訊號進行調製成帶通訊號(modulation)。

最基本的二元制調製方法有以下幾種：

1. 調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字訊號而變化。
2. 調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字訊號而變化。
3. 調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字訊號而變化。

5. 常用編碼

1. 單極性不歸零編碼：只使用一個電壓值，高電平表示1，低電平表示0.

2. 雙極性不歸零編碼：用幅值相等的正負電平表示二進位制數1和0.

   

3. 單極性歸零編碼：傳送碼1時高電平在整個碼元期間只持續一段時間，其餘時間返回零電平。

4. 雙極性歸零編碼：正負零三個電平，訊號本事攜帶同步資訊。

1. 曼徹斯特編碼：單極性編碼的缺點是沒有辦法區分此時是沒有訊號，還是有訊號，訊號是0時。這種編碼方式是bit中間有訊號，低-高跳轉表示0，高-低跳轉表示1，一個時鐘週期只可以表示一個bit，並且必須通過兩次取樣才能得到一個bit。它能攜帶時鐘訊號，而且能區分此時是沒有訊號還是訊號為0

3. 差分曼徹斯特編碼：抗干擾能力比曼徹斯特編碼更強。bit與bit之間有訊號跳變，表示下一個bit為0，bit與bit之間沒有訊號跳變，表示下一個bit為1。

6. 通道的極限容量

1. 任何實際的通道都不是理想的，在傳輸訊號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。
2. 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。

7. 奈氏(Nyquist)準則

1. 1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推匯出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，也就是沒有噪聲的干擾，碼元的傳輸速率的上限值
2. 在任何通道中，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，使接收端對碼元的判決(即識別)成為不可能。
3. 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。

8. 信噪比和夏農(Shannon)公式

夏農(Shannon)用資訊理論的理論推匯出了頻寬受限且有高斯白噪聲干擾的通道的極限、無差錯的資訊傳輸速率。

通道的極限資訊傳輸速率 C 可表達為

​
$$
C = W log2(1+S/N) b/s
$$
W 為通道的頻寬(以 Hz 為單位)；

S 為通道內所傳訊號的平均功率；

N 為通道內部的高斯噪聲功率。

可以發現，減少速度和增大功率能提高準確度。
通道的頻寬或通道中的信噪比(S/N)越大，則資訊的極限傳輸速率C就越高；
只要資訊傳輸速率小於通道的極限傳輸速率C，就一定能實現某種無差錯傳輸；
若頻寬W或信噪比(S/N)沒有上限，則極限傳輸速率C也沒有上限(雖然不可能)；
實際上，通道能達到的最高傳輸速率要比C低不少；

9. 奈氏(Nyquist)準則和夏農公式的應用範圍

三、物理層下面的傳輸媒體

1. 導向傳輸媒體

導向傳輸媒體中，電磁波沿著固體媒體傳播

雙絞線：

1. 遮蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)
   1. 無遮蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)

同軸電纜：

1. 50歐姆同軸電纜(基帶同軸電纜)——用於數字傳輸，多用於基帶傳輸；

2. 75歐姆同軸電纜(寬帶同軸電纜)——用於模擬傳輸，多用於帶通傳輸；

光纜：
網線：

1. 直通線——雙絞線夾線順序兩端一致(1白橙2橙3白綠4藍5白藍6綠7白棕8棕，口訣“橙白橙/綠白藍/藍白綠/棕白棕”)，直通線應用最廣，這種型別的乙太網電纜用來實現以下連線：主機到交換機/集線器，路由器到交換機/集線器
2. 交叉線——一般不同裝置連線用直通線，同類裝置用交叉線。也用於集線器到交換機，路由器到主機連線。
3. 注意，現在網絡卡能夠自動協商，所以交叉線和直通線已經無所謂了，連錯了也沒關係。

光纖：

1. 單模光纖——只能傳輸一種電磁波；直徑小；用於有線電視網路，傳播特性好，頻寬可達10GHz，可以在一根光纖中傳輸60套PAL-D電視節目。
2. 多模光纖——能傳輸多種電磁波；直徑大；

2. 非導向傳輸媒體

非導向傳輸媒體指自由空間，其中的電磁波傳輸稱為無線傳輸。

電信領域使用的電磁波的頻譜如下

1. 無線傳輸所使用的頻段很廣。
2. 短波通訊主要是靠電離層的反射，但短波通道的通訊質量較差。
3. 微波在空間主要是直線傳播。
   • 地面微波接力通訊
   • 衛星通訊

3. 物理層裝置

集線器：
工作特點是在網路中只起到訊號放大和重發作用，目的是擴大網路的傳輸範圍，而不具備訊號的定向傳送能力。

最大傳輸距離是100m；

集線器是一個大的衝突域(意思是某個時間點只能是2臺裝置進行通訊)。

現在很少用集線器了，它不安全，一般用交換機。

四、通道複用技術

複用是通訊技術中的基本概念。

1. 頻分複用(Frequency Division Multiplexing) FDM

1. 使用者在分配到一定的頻帶後，在通訊過程中自始至終都佔用這個頻帶。
2. 頻分複用的所有使用者在同樣的時間佔用不同的頻寬資源(請注意，這裡的“頻寬”是頻率頻寬而不是資料的傳送速率)

2. 時分複用TDM (Time Division Multiplexing)

1. 時分複用則是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。
2. 每一個使用者所佔用的時隙是週期性地出現(其週期就是 TDM 幀的長度)。
3. TDM 訊號也稱為等時(isochronous)訊號。
4. 時分複用的所有使用者是在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度。

時分複用可能會造成 線路資源的浪費

3. 統計時分複用 STDM (Statistic TDM)

需要在放置前新增標記

4. 波分複用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

5. 碼分複用 CDM (Code Division Multiplexing)

1. 常用的名詞是分碼多重進接 CDMA (Code Division Multiple Access)。
2. 各使用者使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
3. 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。
4. 每一個位元時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。

規格化內積，計算方法就是S和T對應的碼片序列每項相乘的和除以序列長

規格化內積為0是正交

例子：四個手機都接收到一個這樣的訊號，計算每個手機收到碼片序列可以算出什麼？使用規格化內積的方法，結果為0就是沒有訊號，1或者-1說明能收到這個訊號，結果為1說明該站傳送的是1；結果為-1則說明該站傳送的是0。

1. A：A和R的每一項相乘然後相加最後除以序列長度8等於1
2. 剩下的方法和A一樣，只有C接收不到訊號

碼分複用的缺點：表示一個bit需要更多的資料。

五、數字傳輸系統

1. 脈碼調製 PCM 體制

1. 脈碼調製 PCM 體制最初是為了在電話局之間的中繼線上傳送多路的電話。
2. 由於歷史上的原因，PCM 有兩個互不相容的國際標準，即北美的 24 路 PCM(簡稱為 T1)和歐洲的 30 路 PCM(簡稱為 E1)。我國採用的是歐洲的 E1 標準。
3. E1 的速率是 2.048 Mb/s，而 T1 的速率是 1.544 Mb/s。
4. 當需要有更高的資料率時，可採用複用的方法。

六、寬頻接入技術

1. xDSL技術

1. xDSL 技術就是用數字技術對現有的模擬電話使用者線進行改造，使它能夠承載寬頻業務。
2. 雖然標準模擬電話訊號的頻帶被限制在 300~3400 kHz 的範圍內，但使用者線本身實際可通過的訊號頻率仍然超過 1 MHz。
3. xDSL 技術就把 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階頻譜留給使用者上網使用。
4. DSL 就是數字使用者線(Digital Subscriber Line)的縮寫。而 DSL 的字首 x 則表示在數字使用者線上實現的不同寬頻方案。

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非對稱數字使用者線 ，把0-4kHz留給傳統電話使用，把原來沒有利用的高頻譜段留給使用者上網使用。

2. 光纖同軸混合網 HFC (Hybrid Fiber Coax)

1. HFC 網是在目前覆蓋面很廣的有線電視網 CATV 的基礎上開發的一種居民寬頻接入網。
2. HFC 網除可傳送 CATV 外，還提供電話、資料和其他寬頻互動型業務。
3. 現有的 CATV 網是樹形拓撲結構的同軸電纜網路，它採用模擬技術的頻分複用對電視節目進行單向傳輸。而 HFC 網則需要對 CATV 網進行改造，

3. FTTx 技術

1. FTTx(光纖到……)也是一種實現寬頻居民接入網的方案。這裡字母 x 可代表不同意思。
2. 光纖到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纖一直鋪設到使用者家庭可能是居民接入網最後的解決方法。
3. 光纖到大樓 FTTB (Fiber To The Building)：光纖進入大樓後就轉換為電訊號，然後用電纜或雙絞線分配到各使用者。
4. 光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：從路邊到各使用者可使用星形結構雙絞線作為傳輸媒體。

七、複習

基本上熟悉下面的知識點就可以了