物理层

一、物理层的基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体（广义）上传输数据比特流

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性

1. 机械特性：例接口形状，大小，引线数目
2. 电气特性：例规定电压范围（-5V到+5V）
3. 功能特性：例规定-5V表示0，+5V表示1
4. 过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

二、数据通信的基础

1、码元

码元：在时间域的波形表示数字信号，代表不同离散数值的基本波形

1码元 = n bit（1码元 >= 1bit）

波特率：码元/s

2、信道

单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。

双向同时通信（全双工通信）通信的双方可以同时发送和接收信息。

3、基带传输

基带信号（baseband）：原始信号、来自信源的信号

带通信号（band pass）：将基带信号进行载波调制，将频率拉倒较高频段以便传输

因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式

4、编码方式

1）基础编码

2）曼切斯特编码

0：01、1：10

0：10、1：01

（成对出现，规则自己规定）

一个时钟周期需要两次采样

3）差分曼切斯特编码

(10)10 / (01)01 -> 0

(01)10 / (10)01 -> 1

差分曼彻斯特编码抗干扰性能强于曼彻斯特编码

4、奈氏准则

1924年，奈奎斯特 (Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

5、信噪比

香农（Shannon）用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率 ：$C=Wlog_2(1+s/n)$

W为信道的带宽（以Hz为单位） S为信道内所传信号的平均功率 N为信道内部的高斯噪声功率

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
3. 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
4. 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

三、物理层的传输媒体

1、集线器 Hub

工作特点：它在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力

集线器是一个大的冲突域

四、信道复用技术

1、频分复用 FDM

用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源 （这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

2、时分复用 TDM

时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个TDM 帧中占用固定序号的时隙。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度对应的时间）。

TDM 信号也称为等时 (isochronous)信号。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

时分复用可能会造成线路资源的浪费：使用时分复用系统传送计算机数据时，由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的。

3、统计时分复用 STDM

4、波分复用 WDM

波分复用相当于光的频分复用

5、码分复用 CDM

常用的名词是码分多址 CDMA（Code Division Multiple Access）

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

每一个比特时间划分为 m个短的问隔，称为码片 (chip)。

码片序列：每个站被指派一个唯一的mbit 码片序列。

如发送比特1，则发送自己的m bit 码片序列 如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

CDMA的重要特点：每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交

1. 两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积（点乘）都是0 S · T = 0
2. 向量S和T的反码向量的规格化内积（点乘）也是0 S · T^{-1} = 0
3. 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积（点乘）都是1 S · S = 1
4. 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 -1 S · S^{-1} = 0

$X = (A + B + C + D)$

$n$：码片序列个数

(A·X) = n --> 原码A --> 1

A·X = -n --> 反码A --> 0

A·X = 0 --> 没发

五、数字传输系统

脉码调制（PCM）是对连续变化的模拟信号进行处理、量化、编码后转换为数字信号的一种调制方式

由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（简称为 T1）和欧洲的30路PCM (简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。

El 的速率是2.048 Mb/s，而T1的速率是 1.544 Mb/s。

采样：将模拟信号采样成直方图

量化：用8位二进制表示直方图的不同离散数值（码元）

编码：物理层传输bit流

六、宽带接入技术

1、ADSL

非对称数字用户线（ADSL 拨号上网）

标准模拟电话信号的频带被限制在 300~3400 Hz 的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过 1 MHz

xDSL 技术就把 0~4kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

上行和下行带宽做成不对称的。

我国目前采用的方案是离散多音调 DMT（Diserete Multi-Tone）调制技术。

DMT 调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1Mz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，而249个子信道用于下行信道。每个子信道占据4kHz带宽，并使用不同的载波（即不同的音调）进行数字调制。这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据。

2、HFC

光纤同轴混合网 HFC (Hybrid Fiber Coax)

HFC 网是在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网。

现有的 CATV 网是树形拓扑结构的同轴电缆网络，它采用模拟技术的频分复用对电视节目进行单向传输。而 HFC 网则需要对 CATV 网进行改造。

HFC网的主干线路采用光纤。HFC 网具有比CATV 网更宽的频谱，且具有双向传输功能。

3、FTTx

光纤到家 FTTI （Fiber To The Home）：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法。

光纤到大楼 FTTB （Fiber To The Building）：光纤进入大楼后就转换为电信号，然后用电缆或双纹线分配到各用户。

光红到路边 FTTC（Fiber To The Curb）：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。

七、物理层总结

1. 4个特性：机械特性、电气特性、功能特性、规程特性
2. 码元：1码元 = nbit，码元速率：波特率，1波特 >= 1bit
3. 信号的编码
4. 奈氏准则（码间串扰）、香农定理（信噪比） $C=Wlog_2(1+s/n)$
5. 信道复用技术
6. 脉码调制PCM：采样、量化、编码
7. 非对称用户数字线ADSL
8. 离散多音调DMT