第二章 物理層
一、物理層定義的標準
    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。
1.物理層的主要任務描述為：確定傳輸媒體的介面的一些特性，即：
    機械特性：比如網線的介面形狀，大小，引線數目
    電氣特性：例規定電壓範圍（-5V到+5V）
    功能特性：例規定-5V表示0，+5V表示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
1.資料通訊的大概通訊模式：源系統--傳輸系統--目的系統
 
圖 1資料通訊系統的模型圖（圖摘自網路）
    常見的資料通訊系統如圖1所示，使用者在一端輸入數字訊號，然後經過調變解調器後將訊號轉換成模擬訊號，然後再傳送到比較遠的城市或者另一臺計算機的時候再經過調變解調器轉換成數字訊號，然後再顯示出來。
2.通訊的目的是傳送訊息，訊息就是有效的資訊。
3.相關術語：
    資料：運送訊息的實體
    訊號：資料的電氣的或電磁的表現，比如01010101
    模擬訊號：代表訊息的引數的取值是連續的
    數字訊號：代表訊息的引數的取值是離散的
    碼元：在使用時間域的波形表示數字訊號時，則代表不同離散數字的基本波形就成為碼元。
    碼元長度：A和B通訊，傳輸一堆二進位制數，在網線上只能以“有電”“沒電”傳輸，用0和1表示，碼元就是在一個時間片段（0到1這段時間）裡的一個波形，而這個間隔被稱為碼元長度，在這裡，這個碼元稱為二進位制碼元。1碼元可以攜帶nbit的資訊量，比如1碼元傳輸了7V，而7的二進位制數是111，那麼在這裡就可以說1碼元可以攜帶3bit的資訊量。
4.有關通道的幾個概念：
   通道一般表示向一個方向傳送資訊的媒體。所以我們平常說的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而沒有反方向的互動，比如保安的對講機
（2）雙向交替通訊（半雙工通訊） 通訊的雙方都可傳送資訊，但不能雙方同時傳送（當然也不能同時接收）
（3）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，比如手機打電話
5.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，比如我們說話的聲波就是基帶訊號。
6.帶通訊號 把基帶訊號經過載波調製後，把訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在通道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過通道）因在傳輸距離較近時，計算機網路都採用基帶傳輸方式，由於在近距離範圍內基帶訊號的衰減不大，從而訊號內容不會發生變化。如從計算機到監視器、印表機等外設的訊號就是基帶傳輸的。
7.對基帶數字訊號的集中調製方法：調幅、調頻、調相

 
圖 2三種對基帶訊號的調製方式對比圖
    如圖所2示，最基本的三種對基帶訊號的調製方式各不同，調幅調的是訊號的幅度，調頻調的是頻率，調相調的是相位。
三、常用編碼
1.不歸零制：正電平代表 1，負電平代表 0。1和1之間不用歸0
2.歸零制：正脈衝代表 1，負脈衝代表 0。1和1之間要歸0，即每個碼元傳輸過程中要回歸到0再看下一個碼元的狀態。
3.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。一個時鐘週期只可表示一個bit，並且必須通過兩次採用才能得到一個bit，但能攜帶時鐘訊號，且可表示沒有資料傳輸。
4.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。差分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼相同，但抗干擾能力強於曼徹斯特編碼。
 
圖 3數字訊號常用編碼方式對比圖
如圖3所示，常見的不歸零制編碼方式就是在編碼過程中是不會迴歸到0的位置的，而是直接跳躍到下一個碼元的值，而歸零制編碼方式就是每一個碼元傳輸過程中都會歸到0的位置再進行下一碼元的編碼。曼徹斯特編碼方式跟歸零制有異曲同工之處，就是每編完一個碼元就接著下一個碼元的編碼，而差分曼徹斯特編碼方式則每編完一個碼元就重新識別碼元，如果下一個碼元的狀態跟上一個不同，則狀態進行翻轉一下，然後接著下一個碼元的編碼。
四、奈氏準則和夏農（Shannon）公式
1.奈氏準則：在理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的也有上限值。
    如果碼元傳輸的速率太快了，會出現碼間串擾，使接收端對碼元的判決成為不可能，也就是接收端識別不了。
    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元串擾
2.信噪比
    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可表示為C=Wlog2（1+S/N） b/s。即C可以理解為有了噪聲干擾之後的傳輸速率。
      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。
    夏農公式告訴我們，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方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（當然實際中通道不可能有這樣的），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。
3.奈氏準則限制了碼元傳輸速率的範圍在傳送的通道到接收的訊號之間；而夏農公限制了資訊傳輸速率的範圍是在輸入資料和輸出資料之間，範圍比奈氏準則寬。如圖4所示。
 
圖 4奈氏準則和夏農公式的應用範圍
五、資料通訊基礎總結知識
1.資料通訊模型（典型：計算機發出數字訊號--經過調變解調器--轉成模擬訊號--長途傳輸--到另一個城市或另一個計算機--經過調變解調器--轉成數字訊號--收到數字訊號）
2.相關的術語：資料、訊號、數字訊號、模擬訊號、碼元
3.通道  單工通訊 半雙工通訊 全雙工通訊
4.基帶訊號 （中間經過調製）帶通訊號
5.調製方法：調頻、調幅、調相
6.常用的編碼：不歸零制（有單極性和雙極性）、歸零制（有單極性和雙極性）、曼徹斯特編碼、差分曼徹斯特編碼
7.通道的極限容量
        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。 
    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。 

 
圖 5數字訊號通過實際的通道的模型圖（圖摘自網路）
8.奈氏準則告訴我們，沒有訊號干擾的情況下，碼元的傳輸速率有上限
9.夏農公式告訴我們，有訊號干擾的情況下，無差錯傳輸速率可從公式中來體現。公式：C=Wlog2（1+S/N） b/s
六、物理層下面的傳輸介質（即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。有雙絞線、同軸電纜、光纜
 2.網路裝置
  （1）網線（一般網線在10M或100M中只用了4根線，分別是1326線）
a.直通線：具體的線序製作方法是：雙絞線夾線順序是兩邊一致，統一都是：1白橙、2橙、3白綠、4藍、5白藍、6綠、7白粽、8棕。注意兩端都是同樣的線序且一一對序。這就是100M網線的做線標準，即5688標準，也就是我們平常所說的正線或標準線、直通線。
   b.直通線應用最廣泛，這種型別的線可實現下列連線：
     --主機到交換機或集線器
     --路由器到交換機或集線器
c.同類裝置相連，要交換線的順序，不同類就不用交換。比較交換機和交換機相連就要交換線的順序，交換機和計算機相連就不用交換順序。不過現在科技技術發達，有些情況下已經不考慮線序了，就像平常插網線的時候一插就能用，不需要考慮線序，這是因為網絡卡的進步。
 （2）交叉電纜
   --交換機到交換機
   --集線器到集線器
   --主機到主機
   --集線器到交換機
   --路由器直接連到主機
 （3）光纖
   a.光線在纖芯中傳輸的方式是不斷地全反射
   b.多模光纖和單模光纖
      單模光纖指只能傳輸一種電磁波模式，多模光纖可以傳輸多個電磁波模式，實際上單模光纖和多模光纖之分，也就是纖芯的直徑之分。單模光纖細，多模光纖粗。在有線電視網路中使用的光纖全是單模光纖，其傳播特性好，頻寬可達10GHz，可以在一根光纖中傳輸60套PAL-D電視節目。
 
圖 6多模光纖和單模光纖對比圖（圖摘自網路）
3.非導向傳輸媒體  
  非導向傳輸媒體就是指自由空間，其中的電磁波傳輸被稱為無線傳輸。無線傳輸所使用的頻段很廣，比如短波和微波
  a.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。
  b.微波在空間主要是直線傳播
    --地面微波接力通訊
    --衛星通訊
4.電信領域使用的電磁波的頻譜
 
圖 7電信領域使用的電磁波頻譜各頻段圖
5.物理層裝置——集線器（早期通網是使用集線器來連線的，現在大多都是用交換機）
   工作特點：它在網路中只起到訊號放大和重發作用，其目的就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：100m。集線器是一個打的衝突域。
七、通道複用技術
   複用是通訊技術中的基本概念。通俗講就是可以在一條通道上跑多人的通訊，到了接收端還能將這些通訊分開。
 
圖 8使用複用技術和不使用複用技術對比圖
 1.頻分複用FDM
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。
 
圖 9頻分複用頻寬資源分配示意圖
    如圖9，頻分複用的所有使用者在同樣的時間佔用不用的頻寬資源（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
 
圖 10時分複用（圖摘自網路）
時分複用可能會造成線路資源的浪費。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是不高的。如圖11所示。
 
圖 11時分複用傳送資料示意圖（圖摘自網路）
  3.統計時分複用
統計時分複用是在時分複用的基礎上多了個標誌的步驟
 
圖 12統計時分複用傳送資料示意圖（圖摘自網路）
    如圖12所示，統計時分複用技術的工作原理就是在每個資料的後面加上標誌，然後進入下一個資料傳送，比如，A使用者傳送完a資料後，第一個STDM幀（#1）還有位置，但是A使用者已經傳送完畢，所以此時用統計時分複用技術將B使用者的第一個b資料做一個標誌，然後傳送到#1中，以此類推，直到將所有的STDM幀填滿了就傳送出去，並且在接收端會有相對應的解調器根據標誌來解調。
  4.波分複用
波分複用就是光的頻分複用。
 
圖 13波分複用概念圖（圖摘自網路）
   如圖13所示，波分複用的概念就是使用一根光纖來同時傳輸多個光載波訊號。
八、數字傳輸系統
  主要就是廣域網之間的資料傳輸。
  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。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。E1的速率時2.048Mb/s，而T1的速率時1.544Mb/s。當需要更高的速率時，可使用複用的方法。
九、寬頻接入技術
 1.xDSL（用數字技術對現有的模擬電話使用者線進行改造），常見的ADSL--電話線
    ADSL用的就是DMT技術
    DMT調製技術採用頻分複用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高階頻譜劃分為許多的子通道，其中25個子通道用於上行通道，而249個子通道用於下行通道。每個子通道佔據4kHz頻寬，並使用不同的載波（即不同的音調）進行數字調製。這種做法相當於在一對使用者線上使用許多小的調變解調器並行地傳送資料。
 2.光纖同軸混合網HFC（hybird 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。HFC網除可傳送CATV外，還提供電話、資料和其他寬頻互動性業務。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。
   （2）要求每個家庭要安裝一個使用者介面盒。
   （3）HFC網的最大優點：具有很寬的頻帶；能夠利用已經有相當大的覆蓋面的有線電視網。
  3.FTTx技術 
    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。
   （1）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（155Mb/s）
   （2）光纖到大樓 FTTB（fiber to the building）：光纖進入大樓後就能轉換為電訊號，然後用電纜或雙絞線分配到個使用者。
   （3）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（155MB/s）。

（本文章僅為個人筆記，缺乏嚴謹性，未經允許請勿轉載）