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1.1 基本概念

物理層功能

就是要解決在各種傳輸媒體上傳輸位元0和1的問題，進而給資料鏈路層提供透明傳輸位元流的服務。

物理層需解決的問題

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。

物理層為資料鏈路層遮蔽了各種傳輸媒體的差異，使資料鏈路層只需要考慮如何完成本層的協議和服務，而不必考慮網路具體的傳輸媒體是什麼?

1.2 傳輸媒體

1.2.1 基本概念

傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，它就是資料傳輸系統中在傳送器和接收器之間的物理通路。

傳輸媒體不屬於計算機網路體系結構的任何一層。如果非要將它新增到體系結構中，那隻能將其放置到物理層之下

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1.2.2 導引型傳輸媒體

在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿著固體媒體傳播。

同軸電纜

雙絞線

把兩根互相絕緣的銅導線並排放在一起，然後按照一定規則絞合起來就構成了雙絞線。

光纖

光纖原理

多模光纖

• 可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。

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，而不會產生多次反射。

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電力線

1.2.3 非導引型傳輸媒體

非導引型傳輸媒體是指自由空間。

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無線電波

微波

紅外線

可見光

1.3 傳輸方式

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1.3.1 序列傳輸和並行傳輸

序列傳輸

資料是一個位元一個位元依次傳送的，因此在傳送端與接收端之間，只需要一條資料傳輸線路即可。

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並行傳輸

• 一次傳送n個位元，因此，在傳送端和接收端之間需要有n條傳輸線路
• 並行傳輸的優點是比序列傳輸的速度n倍，缺點是但成本非常高。

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結論

資料在傳輸線路上的傳輸採用是序列傳輸。

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計算機內部的資料傳輸常用並行傳輸，例如CPU與記憶體之間，通過匯流排進行資料傳輸。

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1.3.2 同步傳輸和非同步傳輸

同步傳輸

• 資料塊以穩定的位元流的形式傳輸。位元組之間沒有間隔。
• 接收端在每個位元訊號的中間時刻進行檢測，以判別接收到的是位元0還是位元1。
• 由於不同裝置的時鐘頻率存在一定差異，不可能做到完全相同，在傳輸大量資料的過程中，所產生的判別時刻的累計誤差，會導致接收端對位元訊號的判別錯位，所以要使收發雙發時鐘保持同步。

非同步傳輸

• 以位元組為獨立的傳輸單位，位元組之間的時間間隔不是固定。
• 接收端僅在每個位元組的起始處對位元組內的位元實現同步。
• 通常在每個位元組前後分別加上起始位和結束位。

1.3.3 單向通訊（單工)、雙向交替通訊(半雙工)和雙向同時通訊(全雙工）

在許多情況下，我們要使用“通道（channel）”這一名詞。通道和電路並不等同，通道一般都是用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體。因此，一條通訊電路往往包含一條傳送通道和一條接收通道。

單向通訊（單工)

又稱為單工通訊，通訊雙方只有一個數據傳輸方向。無線電廣播或者有線電以及電視廣播就屬於這種型別。

雙向交替通訊(半雙工)

又稱為半雙工通訊，即通訊的雙方可以傳送資訊，但不能雙方同時傳送。這種通訊方式使一方傳送另一方接收，過一段時間後可以再反過來。

雙向同時通訊

又稱為全雙工通訊，即通訊的雙發可以同時傳送和接收資訊。

結論

單向通訊只需要一條通道。而雙向交替通訊或者雙向同時通訊，則都需要兩條通道。(每個方向各一條)

1.4 編碼與調劑

1.4.1 基本概念

資料:運送訊息的實體。

訊號 :資料電磁的表現。

基帶訊號：由信源發出的原始電訊號。計算機內部CPU與記憶體之間傳輸的訊號(數字基帶訊號) ，麥克風收到聲音後產生的音訊訊號(模擬基帶訊號)。

碼元: 在使用時間域的波形表示數字訊號時，代表不同離散數值的基本波形。

調製：把數字基帶訊號的頻率範圍，搬移到較高的頻段，並且轉換為模擬訊號。調製後產生的訊號是模擬訊號，可以在模擬通道中傳輸。

編碼：在不改變訊號性質的前提下，僅對數字基帶訊號的波形進行交換。

1.4.2 傳輸媒體與通道的關係

基本概念

• 通道 ：一般用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體。
• 單向通訊（單工通訊）: 只能有一個方向的通訊而沒有反方向的互動。
• 雙向交替通訊（半雙工通訊）：通訊的雙方都可以傳送資訊，但不能雙方同時傳送(當然也就不能同時接收)。
• 雙向同時通訊（全雙工通訊）: 通訊的雙方可以同時傳送和接收資訊。

注意: 嚴格來說，傳輸媒體不能和通道劃等號。

對於單工傳輸，傳輸媒體只包含一個通道，要麼是傳送通道，要麼是接收通道。

對於半雙工和全雙工，傳輸媒體中要包含兩個通道，一個傳送通道，另一個是接收通道。

結論

如果使用通道複用技術，一條傳輸媒體還可以包含多個通道。

1.4.3 常用編碼

不歸零編碼

正電平表示位元1/0，負電平表示位元0/1。中間虛線是零電平。

所謂不歸零，就是指在整個碼元時間內，電平不會出現零電平，或者調製的方法在相應通道進行傳輸。

位元1和位元0的表示如何實現

需要傳送方的傳送與接收方的接收做到嚴格的同步

• 需要額外一根傳輸線來傳輸時鐘訊號，使傳送方和接收方同步，接收方按時鐘訊號的節拍來逐個接收碼元。
• 但是對於計算機網路，寧願利用這根傳輸線傳輸資料訊號，而不是傳輸時鐘訊號。

結論

由於不歸零編碼存在同步問題，因此計算機網路中的資料傳輸不採用這類編碼。

歸零編碼

基本特點

每個碼元傳輸結束後訊號都要歸零，所以接收方只要在訊號歸零後進行取樣即可，不需要要單獨的時鐘訊號。

實際上，歸零編碼相當於把時鐘訊號用"歸零"方式在了資料之內，這稱為"自同步"訊號。

但是，歸零編碼中大部分的資料頻寬，都用來傳輸"歸零"而浪費掉了。

結論

歸零編碼雖然自同步，但編碼效率低。

曼徹斯特編碼

傳統乙太網使用的就是曼切斯特編碼。

在每個碼元時間的中間時刻，訊號都會發生跳變

• 負跳變表示位元1/0
• 正跳變表示位元0/1
• 碼元中間時刻的跳變即表示時鐘，又表示資料

注意: 實際位元1和位元0的表示要看現實怎麼規定。

差分曼徹斯特編碼

在每個碼元時間的中間時刻，訊號都會發送跳變，但與曼徹斯特不同。

• 跳變僅表示時鐘
• 碼元開始處電平是否變換表示資料
  • 變化表示位元1/0
  • 不變化表示位元0/1

結論

實際位元1和位元0的表示要看現實怎麼規定。

比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率。

總結

1.4.4 調製

數字基帶訊號

這是帶傳輸的數字基帶訊號，也就是來自自信源的原始數字訊號，我們要使用模擬通道來傳輸。

因此需要將數字基帶訊號通過調製方法，調製成可以在模擬通道中傳輸模擬訊號。

調幅(AM)

這是調幅所產生的模擬訊號，無載波輸出表示位元0，有載波輸出表示位元1。

調頻(FM)

這是調頻所產生的模擬訊號，頻率f1的波形表示位元0，頻率f2的波形表示位元1。

調相(PM)

這是調相所產生的的模擬訊號，初相位0度的波形表示位元0，初相位180度的波形表示位元1。

混合調製

因為頻率和相位是相關的，即頻率是相應隨時間的變化率。所以一次只能調製頻率和相位兩個中的一個。

通常情況下，相位和振幅可以結合起來一起調製，稱為正交振幅調製QAM。

結論

碼元所對應的4個位元是錯誤的，碼元不能隨便對應4個位元。

1.5 通道的極限容量

1.5.1 碼間串擾

步驟一

當它通過實際的通道後，波形會產生失真，當失真不嚴重的時候，在輸出端還可根據已經失真的波形還原出發送的碼元。

步驟二

當失真嚴重時，在輸出端就很難判斷這個訊號在什麼時候是1和在什麼時候是0，訊號波形失去了碼元之間的清晰界限。

1.5.2 奈氏準則

1.5.3 夏農公式

結論

通道中的噪聲會影響接收端對碼元的識別，並且噪音功率相對訊號功率越大，影響就越大。

1.5.4 奈氏準則和夏農公式對比

1.5.5 案例說明

案例一
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案例二

解題思路: 不管給出的調製技術多麼"牛"，只需要關係這種調製技術可以調製出多少個不同的基本波形(碼元)即可。

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案例三
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案例四
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