物理層的基本概念

物理層考慮的是怎樣才能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。
物理層的作用是要儘可能地遮蔽掉不同傳輸媒體和通訊手段的差異。
主要任務：確定與傳輸媒體的介面的一些特性。

• 機械特性 ：指明介面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：指明在介面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的意義。
• 過程特性 ：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

資料通訊的基礎知識

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）和目的系統（或接收端、接收方）。

有關通道的幾個基本概念

調製

調頻，調幅，調相

不是碼元越多越好。若每一個碼元可表示的位元數越多，則在接收端進行解調時要正確識別每一種狀態就越困難，出錯率增加。

碼元傳輸的速率越高，或訊號傳輸的距離越遠，或傳輸媒體質量越差，在通道的輸出端的波形的失真就越嚴重。

• 基帶調製：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)。
• 帶通調製：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。

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：位週期中心的向上跳變代表 0，位週期中心的向下跳變代表 1。但也可反過來定義。
• 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。

從訊號波形中可以看出，曼徹斯特 (Manchester) 編碼和差分曼徹斯特編碼產生的訊號頻率比不歸零制高。
從自同步能力來看，不歸零制不能從訊號波形本身中提取訊號時鐘頻率（這叫做沒有自同步能力），而曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼具有自同步能力。

通道的極限容量

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
• 信噪比

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。

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。 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。

信噪比就是訊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。即：

信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)

夏農公式
極限資訊傳輸速率 C ;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。
C = W log2(1+S/N) (bit/s)

夏農公式表明

• 通道的頻寬或通道中的信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高。
• 只要資訊傳輸速率低於通道的極限資訊傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。
• 若通道頻寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際通道不可能是這樣的），則通道的極限資訊傳輸速率 C 也就沒有上限。
• 實際通道上能夠達到的資訊傳輸速率要比夏農的極限傳輸速率低不少。

物理層下面的傳輸媒體

導引型傳輸媒體

雙絞線
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資料。(50 Ω 同軸電纜 —— LAN / 數字傳輸常用;~~~75 Ω 同軸電纜 —— 有線電視 / 模擬傳輸常用)
光纜： 多模光纖 ，單模光纖
光纖通訊優點

1. 通訊容量非常大。
2. 傳輸損耗小，中繼距離長。
3. 抗雷電和電磁干擾效能好。
4. 無串音干擾，保密性好。
5. 體積小，重量輕。

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。
• 短波通訊（即高頻通訊）主要是靠電離層的反射，但短波通道的通訊質量較差，傳輸速率低。
• 微波在空間主要是直線傳播。
• 傳統微波通訊有兩種方式： 1.地面微波接力通訊2.衛星通訊

通道複用技術

頻分複用 FDM、時分複用 TDM、統計時分複用 STDM、波分複用 WDM、碼分複用　CDM
複用 (multiplexing) 是通訊技術中的基本概念。
它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。　　　　

掌握碼分複用的習題

數字傳輸系統

標準和同步問題

在早期電話網中，從市話局到使用者電話機的使用者線是採用最廉價的雙絞線電纜，而長途幹線採用的是頻分複用 FDM 的模擬傳輸方式。
與模擬通訊相比，數字通訊無論是在傳輸質量上還是經濟上都有明顯的優勢。
目前，長途幹線大都採用時分複用 PCM 的數字傳輸方式。
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。

寬頻接入技術

ADSL 技術

從寬頻接入的媒體來看，可以劃分為兩大類：有線寬頻接入，無線寬頻接入
非對稱數字使用者線 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 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。ADSL 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。ADSL 在使用者線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調變解調器。

光纖同軸混合網（HFC網）

• HFC 網將原 CATV 網中的同軸電纜主幹部分改換為光纖，並使用模擬光纖技術。
• 在模擬光纖中採用光的振幅調製AM，這比使用數字光纖更為經濟。
• 模擬光纖從頭端連線到光纖結點 (fiber node)，即光分配結點 ODN (Optical Distribution Node)。在光纖結點光訊號被轉換為電訊號。在光纖結點以下就是同軸電纜。

FTTx 技術

FTTx 是一種實現寬頻居民接入網的方案，代表多種寬頻光纖接入方式。
FTTx 表示 Fiber To The…（光纖到…），例如：

• 光纖到戶 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。
• 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。
• 光纖到路邊 FTTC (Fiber To The Curb)：光纖鋪到路邊，從路邊到各使用者可使用星形結構雙絞線作為傳輸媒體。