物理層

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1. 物理層的基本概念

物理層主要解決如何在各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流

物理層主要確定以下接口的一些特性：

• **機械特性：**接口形狀、大小以及引線數目
• **電氣特性：**規定電壓範圍
• **功能特性：**數模轉換，例如-5V表示0，+5負表示1
• **過程特性：**規定建立連接時各個相關部件的工作步驟

2. 數據通信的基本知識

2.1 通信中的一些概念

• **數據：**運送消息的實體
• **信號：**數據的電氣或電磁表現
• **“模擬信號“：**如電流電壓等，是連續的
• **”數字信號“：**數據的數值表示，0,1，是離散的
• **碼元：**在數字通信中常用時間間隔相同的符號表示一共二進制數字，這樣的時間間隔內的信號稱爲二進制碼元，這個時間間隔稱爲碼元長度，一個碼元可以攜帶多個比特的信息量。通俗來講，碼元就是一個脈衝攜帶的數據量，如果發送信息0,1,0,1，那麼用二進制表示爲0,1,0,1，一個碼元攜帶1bit；如果發送信息2,3,1,4，那麼用二進制表示爲010,011,001,100，一個碼元攜帶3bit

2.2 有關信道的幾個概念

• **信道：**信道一般表示向同一個方向傳送信息的媒體，所以發送信息和接受信息一般是兩個信道
• **單向通信(單工)：**只能有一個方向的通信，沒有反方向的交互
• **雙向交替通信(半雙工)：**雙方都可以發送信息，但是不能同時發送，需要等一方信息發送完畢後另一方纔能開始發送信息，例如對講機
• **雙向同時通信(全雙工)：**發送和接受雙方可以同時發送和接受信號，例如手機

2.3 基帶(baseband)信號和帶通(bandpass)信號

• 基帶信號即基本頻帶信號，是來自信源的信號，計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信息都屬於基帶信號，例如說話的聲波就是基帶信號

• 帶通信息指的是基帶信號經過載波調製後，將信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便於在信道中傳輸

在通信過程中，高頻信號的傳送成本低，傳送效率高，一般在遠距離傳輸中使用高頻載波實現信號傳播，在接收到高頻信號後需要進行濾波操作變爲低頻信號。載波調製一般有三種方法：

在傳輸距離較近的情況，計算機網絡一般差用基帶傳輸的方法，例如計算機到打印機、攝像頭等外設

2.4 通信中常用編碼方式

• **單極性不歸零碼：**只使用一個電壓值，高電平表示1，沒電壓表示0
• **雙極性不歸零碼：**正負電平表示1和0，正負幅值相等
• **單極性歸零碼：**以高電平和零電平分別表示1和0，發送碼1時高電平在整個碼元期間只能維持一點時間，其他時間返回零電平
• **雙極性歸零碼：**有正負零三個電平
• **曼徹斯特編碼：**一個時鐘週期只可以表示一個bit，兩次採樣才能得到一個bit，能夠攜帶時鐘信號，且可以表示沒有數據傳輸。電平由低到高表示0，由高到低表示1
• **差分曼徹斯特編碼：**差分曼徹斯特編碼中，初始信號規律與曼徹斯特編碼相同，由高到低表示1，由低到高表示0。但是在傳輸過程中，會有些變化，如果下一個bit時0,那麼該時刻的波形圖的起點與上一個波形圖終點相反，如果下一個bit時1,那麼該時刻的波形圖的起點與上一個波形圖終點相同

2.5 信道的極限容量

• 奈氏準則

  奈奎斯特給出在假定的理想條件(無干擾)下，爲了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值

• 香農定理

  香農用信息量的理論推導出帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率

  信道的極限信息傳輸速率C可以表示爲$C=Wlog_2(1+s/N)$，其中Ｗ表示信道的帶寬(Hz)，S表示信道內所傳信號的平均功率，N表示信道內部的高斯噪聲功率

  信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率越高，只要傳輸速率低於信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種方法來實現無差錯的傳輸
  

3. 物理層下面的傳輸媒體

3.1 導向傳輸媒體(有線)

導向傳輸媒體中，電磁波沿着固體媒體傳播

• 雙絞線

  • 屏蔽雙絞線（STP)
  • 無屏蔽雙絞線(UTP)

• 同軸電纜

  • 50$\Omega$同軸電纜：用於數字傳輸，多用於基帶傳輸，也叫做基帶同軸電纜
  • 75$\Omega$同軸電纜：用於模擬傳輸，也叫做帶寬同軸電纜

• 網線

  • 直通線：不同類設備
  • 交叉線：同類設備

• 光纖

  • 多模光纖：可以傳輸多個電磁波模式
  • 單模光纖：只能傳播一種電磁波模式

3.2 非導向傳輸媒體(無線)

非導向傳輸媒體指的是自由空間，其中電磁波傳輸被稱爲無線傳輸

• 無線傳輸：電磁波
• 短波通信：電離層
• 微波
  • 地面微波接力通信
  • 衛星通信

3.3 電信領域使用電磁波的頻譜

3.4 集線器(Hub)

集線器在網絡中的作用是信號放大和重發，主要功能是擴大網絡的傳輸範圍。集線器是一個大的衝突域，一個集線器上連接的多個設備中，同一時間只能有兩臺設備進行通信

4. 信道複用技術

4.1 頻分複用技術(Frequency Division Multiplexing，FDM)

頻分複用指用戶在分配一定頻帶後，在通信過程中始終佔用這個頻帶，不同用戶的頻率不同

4.2 時分複用(Time Division Multiplexing, TDM)

時分複用是將時間劃分爲等長的時分複用幀，每一個時分複用的用戶在每一個TDM幀中佔用固定的時隙，時分複用中的所有用戶在不同時間佔同樣的頻帶寬度

在時分複用中各個線路的順序是固定的，所以在傳輸過程中可能需要經常等待，因此時分複用可能造成線路資源的浪費

4.3 統計時分複用(Static Time Division Multiplexing, STDM)

統計時分複用對每個信道都有不同的標記，可以解決時分複用中線路資源浪費的情況

4.4 波分複用

波分複用是光的頻分複用

5. 數字傳輸系統

數字傳輸系統主要指的是廣域網之間的傳輸，用的是脈碼調製(PCM)機制

PCM有兩個不兼容的國際標準：

• 北美的24路PCM，稱爲T1，速率爲1.544Mb/s
• 歐洲的30路PCM（我國採用），稱爲E1，速率爲2.048Mb/s

6. 寬帶接入技術

6.1 xDSL(數字用戶線路)

用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，電話線可通過的信號頻率爲0-1MHz

xDSL將0-4kHz低頻給傳統電話使用，高頻提供個上網用戶使用

xdsl中最流行的是ADSL(非對稱數字用戶線路)，也就是我們常說的貓

ADSL上行和下行帶寬不對稱，用戶線兩端各裝有一個ADSL調制解調器，一般採用離散多音調(Discrete Multi-Tone, DMT)調製技術

DMT調製技術採用頻分複用的技術，將40kHz-1.1MHz的高頻頻譜劃分爲多個自通道，其中25個用於上行通道，249個用於下行通道，每個通道佔4kHz帶寬，使用不同的載波進行數字調製

6.2 光纖同軸混合網(Hybrid Fiber Coax, HFC)

HFC的主幹路線採用光纖，使用模擬光纖技術，模擬光纖中採用光的振幅調製AM

HFC比CATV網的頻譜更寬，同時具有雙向傳輸功能