2.1 物理層的基本概念

物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。

物理層的作用是要儘可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異。

用於物理層的協議也常稱爲物理層規程 (procedure)。

主要任務：確定與傳輸媒體的接口的一些特性。

機械特性 ：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。

電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。

功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義。

過程特性 ：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。

數據在計算機內部多采用並行傳輸方式，但數據在通信線路（傳輸媒體）上的傳輸方式一般都是串行傳輸（處於經濟上的考慮）。

2.2 數據通信的基礎知識

 

數據通信系統的模型

一個數據通信系統可劃分爲三大部分，即源系統（或發送端、發送方）、傳輸系統（或傳輸網絡）和目的系統（或接收方、接收端）。

 

 

常用術語

實體：表示任何可發送或接收信息的硬件或軟件進程。

通信的目的是傳送消息

數據 (data) —— 運送消息的實體。

信號 (signal) —— 數據的電氣的或電磁的表現。

模擬信號 (analogous signal) —— 代表消息的參數的取值是連續的。

數字信號 (digital signal) —— 代表消息的參數的取值是離散的。

碼元 (code) —— 在使用時間域（或簡稱爲時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。

 

 

有關信道的幾個基本概念

信道 —— 一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。所以說平常的通信線路往往包含一條發送信息的信道和一條接收信息的信道。

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(當然也就不能同時接收)。

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（即基本頻帶信號）—— 來自信源的信號。像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。

基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進行調製  (modulation)。

 

調製分爲兩大類：

基帶調製：僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應。變換後的信號仍然是基帶信號。把這種過程稱爲編碼 (coding)。

帶通調製：使用載波 (carrier)進行調製，把基帶信號的頻率範圍搬移到較高的頻段，並轉換爲模擬信號，這樣就能夠更好地在模擬信道中傳輸（即僅在一段頻率範圍內能夠通過信道） 。

帶通信號 ：經過載波調製後的信號。

 

（1）常用編碼方式

不歸零制：正電平代表 1，負電平代表 0。

歸零制：正脈衝代表 1，負脈衝代表 0。

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。

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。

從信號波形中可以看出，曼徹斯特 (Manchester) 編碼和差分曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高。

從自同步能力來看，不歸零制不能從信號波形本身中提取信號時鐘頻率（這叫做沒有自同步能力），而曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼具有自同步能力。

（2）基本的帶通調製方法

最基本的二元制調製方法有以下幾種：

調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。

調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。

調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化。

 

 

信道的極限容量

任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信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，或信號傳輸的距離越遠，或傳輸媒體質量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。

 

從概念上講，限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有以下兩個：

信道能夠通過的頻率範圍

信噪比

 

（1）信道能夠通過的頻率範圍

具體的信道所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。

1924 年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推導出了著名的奈氏準則。他給出了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。

在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成爲不可能。

如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那麼就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾。

（2）信噪比

信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比。常記爲S/N，並用分貝 (dB) 作爲度量單位。即：

信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)

1984年，香農 (Shannon) 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、無差錯的信息傳輸速率（香農公式）。

信道的極限信息傳輸速率 C 可表達爲：

C = W log2(1+S/N)    (bit/s)

其中：W 爲信道的帶寬（以 Hz 爲單位）；

S 爲信道內所傳信號的平均功率；

N 爲信道內部的高斯噪聲功率。

香農公式表明：

信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則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，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。

若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。

實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。

注意：

對於頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，並且碼元傳輸速率也達到了上限值，那麼還有辦法提高信息的傳輸速率。

這就是：用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。

2.3 物理層下面的傳輸媒體

 

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發送器和接收器之間的物理通路。

傳輸媒體可分爲兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體。

在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿着固體媒體（銅線或光纖）傳播。

非導引型傳輸媒體就是指自由空間。在非導引型傳輸媒體中，電磁波的傳輸常稱爲無線傳輸。

 導引型傳輸媒體

雙絞線

最常用的傳輸媒體。

模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般爲幾到十幾公里。

屏蔽雙絞線 STP (Shielded Twisted Pair)

帶金屬屏蔽層

無屏蔽雙絞線 UTP (Unshielded Twisted Pair)

 

 非導引型傳輸媒體

將自由空間稱爲「非導引型傳輸媒體」。

無線傳輸所使用的頻段很廣。

短波通信（即高頻通信）主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差，傳輸速率低。

微波在空間主要是直線傳播。

傳統微波通信有兩種方式：

地面微波接力通信

衛星通信

2.4 信道複用技術

 

 頻分複用、時分複用和統計時分複用

複用 (multiplexing) 是通信技術中的基本概念。

它允許用戶使用一個共享信道進行通信，降低成本，提高利用率。

 

時分複用則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 幀中佔用固定序號的時隙。

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）的。

TDM 信號也稱爲等時 (isochronous) 信號。

時分複用的所有用戶在不同的時間佔用同樣的頻帶寬度。

 

2.5 幾種常用的寬帶接入技術，主要是 ADSL 和 FTTx

用戶到互聯網的寬帶接入方法有非對稱數字用戶線 ADSL（用數字技術對現有的模擬電話線進行改造，而不需要重新佈線。ASDL 的快速版本是甚高速數字用戶線 VDSL。），光纖同軸混合網 HFC（是在目前覆蓋範圍很廣的有線電視網的基礎上開發的一種居民寬帶接入網）和 FTTx（即光纖到······）。