物理層 知識大綱
物理層
物理層的基本概念
物理層解決如何在鏈接各種計算的傳輸媒體上傳輸數據比特流,而不止具體的傳輸媒體。
物理層的主要任務描述爲：確定 傳輸媒體的接口的一些特性
| 特性名稱 | 特性內容 |
|---|---|
| 機械特性 | 接口的形狀、大小、引線數目 |
| 電氣特性 | 例：規定電壓的範圍 |
| 功能特性 | 例：-5V爲0，+5V爲1 |
| 過程特性 | 建立連接時各個相關部分的工作步驟 |
數據通信的基礎知識
通信的目的是爲了傳送消息。
一、典型數據通信模型
相關術語
| 術語 | 解釋 |
|---|---|
| 數據（data) | 運送消息的實體 |
| 信號（signal） | 數據的電氣或電磁的表現 |
| 「模擬信號」 | 代表消息的參數的取值是連續的 |
| 「數字信號」 | 代表消息的參數的取值是離散的 |
| 碼元（code） | 在使用時間域的波形表示數字型號時，則代表不同離散數值的基本波形就稱爲碼元 |
在數字通信中，常用時間相同的符號來表示一個二進制數字，這樣的時間間隔內的信號稱爲二進制碼元。而這個間隔被稱爲
碼元長度。1碼元可以攜帶nbit的信息量。
二、信道
信道一般表示向一個方向傳送信息的媒體。一般常說的通信道路往往包含一條發送信息的信道和一條接受信息的信道。
| 術語 | 解釋 |
|---|---|
| 單向通信（單工通信） | 只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互 |
| 雙向交替通信（半雙工通信） | 通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送（接收） |
| 雙向同時通信（全雙工通信） | 通信的雙方可以同時發送和接收信息 |
基帶信號（baseband)
基本頻帶信號（來自於信源的信號）。
計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號。基帶信號就是發出的直接表達了要傳輸的信息的信號，比我們說話的聲波就是基帶信號
帶通信號（band pass）
把基帶信號經過載波(carrier)調製後，把信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道）。
在傳輸距離較近時，計算機網絡採用
基帶傳輸方式。因爲在近距離範圍內基帶信號的衰減不大，因此信號的內容不發生改變。
調製方法
| 基本調製方法 | 解釋 |
|---|---|
| 調幅（AM） | 載波的振幅隨基帶數字信號而改變 |
| 調頻（FM） | 載波的頻率隨基帶數字信號而改變 |
| 調相（PM） | 載波的初始相位隨基帶數字信號而改變 |
常用編碼
| 常用編碼 | 特性 |
|---|---|
| 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 | 用正電平和負電平分別表示二進制數據的1和0，正負幅值相等。 |
| 單極性歸零碼（RZ） | 以高電平和零電平分別表示二進制碼1和0，而且在發送碼1時高電平在整個碼元期間T只持續一段時間 t ，其餘時間返回零電平 |
| 雙極性歸零碼 | 正負零三個電平，信號本身攜帶同步信息 |
| 曼徹斯特編碼 | bit中間有信號（低->高，跳變爲0；高->低，跳變爲1） |
| 差分曼徹斯特編碼 | bit中間有信號跳變，bit與bit之間也有信號跳變，表示下一個bit爲0（bit與bit之間無信號跳變，表示下一個bit爲1） |
採用曼徹斯特編碼，一個時鐘週期只可表示一個bit，並且必須通過兩次採樣才能得到一個bit。但是他能攜帶時鐘信號，且可表示沒有數據傳輸
查分曼徹斯特編碼與曼徹斯特編碼相同，但是
抗干擾能力強於曼徹斯特編碼
三、信道的極限容量
任何實際的信道都不是理想的，都不可能任意高的速率進行傳送。
從概念上講，限制碼元在信道上傳輸速率的的因素有兩個。
-
信道能夠通過的頻率的範圍
具體的信道能通過的頻率範圍總是有限的，信號中的許多高頻分量往往不能通過信道。傳輸速率超過上限，會導致嚴重的
碼間串擾問題，使接收端對碼元的識別錯誤。 -
信噪比
噪聲存在於所有電子設備和通信設備。噪聲是隨見產生的，瞬時值可能會很大，因此噪聲會使接收端對碼元的識別錯誤。但噪聲的影響是相對的，信號相對強，噪聲的影響相對小。因此，信噪比（S/N）很重要。
- 功率比
- 電壓比
奈氏準則
在假定的理想條件下，爲了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。
如果信道的頻帶越寬，也就是能通過的信號的高頻分量越多。那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。
香農公式
用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息的傳輸速率。
信道的極限信息傳輸速率 C 可表達爲：
W：信道的帶寬（以Hz爲單位）
S：信道內所傳信號的平均功率
N：信道內部的高斯噪聲功率
香農的公式表明:
- 信道的帶寬或行道中的信道比越大，信息的
極限傳輸速率就越高 - 只要信息傳輸速率低於信道的
極限信息傳輸速率,就可以通過某種辦法來實現無差別的傳錯 - 理論上，帶寬（W）和信噪比（S/N）沒有上限，極限信息傳輸速率C也沒有上限
奈氏準則和香農公式的應用範圍
物理層下面的傳輸介質
傳輸媒體也稱爲傳輸介質或傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在接收器和發送器之間的物理通路。傳輸媒體可分爲兩種，一種導向傳輸媒體和非導向傳輸媒體.
導向傳輸媒體
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USTP
-
同軸電纜
- 50Ω同軸電纜 用於數字傳輸，由於多用於基帶傳輸，也叫 基帶同軸電纜。
- 75Ω同軸電纜 用於模擬傳輸，即寬帶同軸電纜。
-
光纜
光纖通信就是利用光導纖維傳遞光脈衝來進行通信。有光脈衝相當於1，而沒有光脈衝相當於0。
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爲無線傳輸。
無線傳輸所使用的頻段很廣，短波通信主要靠電離層反射，但通信質量較差。
微波主要在空間直線傳播（地面微波接力通信，衛星通信）。
信道複用技術
複用(multiplexing)是通信技術中的基本概念。
頻分複用（FDM）
用戶在分配到一定的頻帶後，在通信過程中自始至終都佔用這個頻帶。頻分複用的所有用戶在同樣的時間佔用不同的帶寬（頻率帶寬而不是數據發送的速率）資源。
時分複用（TDM）
時分複用是將時間劃分爲一段段等長的時分複用幀(TDM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。每一個用戶所佔用的時隙是週期性地出現（其週期就是TDM幀的長度對應的時間）。TDM信號也稱爲等時信號。時分複用的所有用戶是在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。
統計時分複用（STDM）
在時分複用中，一個用戶對於已經分配的自信到的利用率一般不高，當某用戶暫時無數據發送時，時分複用幀中分配給該用戶的時隙只能處於空閒狀態，其他用戶即使一直有數據要發送，也不能使用這些空閒的時隙。這就導致複用後的信道利用率不高。
於是我們引申出了統計時分複用。統計時分複用使用STDM幀來傳送複用的數據。但每一個STDM幀中的時隙數小於連接在集中器上的用戶數。各用戶有了數據就隨時發往集中器的輸入緩存，然後集中器按順序依次掃描輸入緩存，把緩存中的輸入數據放入STDM幀中。對沒有數據的緩存就跳過去。因此STDM幀不是固定分配時隙，而是按需求動態分配。
在輸出線路上，某個用戶所佔的時隙並不是週期性地出現，因此統計時分複用也稱爲異步時分複用。
波分複用（WDM）
波分複用就是光的頻分複用。
碼分複用（CDM）
碼分複用也叫碼分多址（Code Division Multiple Access）。每一個用戶可以在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通信。
在CMDA中，每一個比特時間再劃分爲m個短的間隔，稱爲碼片（chip）。通常m的值爲64或128。
使用CDMA的每一個站被指派一個唯一的mbit碼片序列。一個站如果要發送比特 1 ，則發送它自己mbit碼片序列，如果要發送比特 0 ，就發送改碼片序列的二進制反碼。
現假定S站要發送的信息的數據率爲 b bit/s。由於每一個比特要轉換成m個比特的碼片，因此S站實際發送的數據率提高到mb bit/s，同時S站所佔用的頻帶寬度也提高到原來數值的m倍。這種通信方式是擴頻（spread spectrum）通信中的一種。
擴頻通信：
- 直接序列擴頻（Direct Sequence Spread Spectrum）
- 跳頻擴頻（Frequency Hopping Spread Spectrum）
在CDMA系統中，必須給每一個站分配的碼片序列必須各不相同，而且必須互相正交，實際中使用僞隨機碼片序列。
用數序公式表示碼片序列的正交關係：
S： 站S的碼片向量
T：其他任何站的碼片向量
- 兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化
內積（inner product）都是0- 向量S和各站碼片反碼的向量的
內積（inner product）也是0- 任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規格化
內積（inner product）都是1- 一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化
內積（inner product）值爲-1