第六章 物理层
一、传输媒体：了解双绞线、同轴电缆、光纤等导向媒体的基本特性，了解无线媒体中无线电波的传播方式，了解影响无线传输的衰减、噪声和多径传输等因素
1.传输媒体
传输媒体（Transmission Medium）:相邻节点间实际传送信息的物理载体
- 传输媒体具有不同的带宽和抗干扰能力，限制了在其上传输的信息所能获得的最大数据速率
- 传输媒体的带宽指的是其上面允许通过的信号的频率范围的宽度
传递的信息可能采用模拟（连续变化）或者数字（离散变化）形式来表示
信息在传输媒体中以信号的形式来传输，信号也可以是模拟或者数字的
2.双绞线
一根电缆常常包括多（4）对双绞线
双绞线减少相互间的干扰，单位距离上的旋绞次数越多，带宽越高，等级越高
- 非屏蔽双绞线UTP：没有屏蔽，细、轻，容易安装，用于电话线和以太网连接
- 屏蔽双绞线STP：每对双绞线外（Shielded）以及所有双绞线外（Screened）都可能增加金属包层
3.同轴电缆
从里到外依次为铜芯、绝缘材料、网状密织导体(屏蔽网)、塑料保护外套
相比双绞线屏蔽更好，带宽更高（600M到3GHz甚至更高）速度更高，距离更远
- 基带电缆（50欧姆）：传输离散变化的数字信号，根据直径的不同可以分为粗缆 和细缆
- 宽带电缆（75欧姆） ：传输连续变化的模拟信号，常采用FDM方式传输多路信号， 在CATV中使用
4.光纤
光纤是一根很细（头发大小)的可传导光线的纤维媒体，由超纯硅、合成玻璃或者塑料制作而成， 每根光纤（高折射率的纤丝core）都有自己的低折射率的包层（cladding），cladding用于增加全反射作用强度
根据给定角度进入光纤的一束光（模）的情况分为：
- 多模光纤： 直径较大 (62.5 微米)，LED作为光源，数据速率要低一些
- 单模光纤： 直径较小(12.5微米)，采用激光作为光源，价格也更贵，损耗小，支持更长距离和 更高数据速率
5.无线电波
波长（wavelength）为一个周期内信号传播（真空中传播速度为光速C，电缆中的速度大约为光速 的2/3）的距离
频谱（spectrum）：频率范围，按波长划分被称为波段
6.衰减
衰减(attenuation)指信号的强度随着其传输的距离增加而降低的现象
- 导向媒体中衰减一般是一个相对固定的值
- 非导向媒体(无线媒体)除了自身的传输特性外，更加容易受到噪声和多径传输而带来的干扰， 从而使得信号的衰减更加难以描述
7.噪声
多噪声：影响两个无线节点间信号的视线传播而导致衰减和失真的因素
- 信道本身固有的热噪声
- 由于多个不同频率或者相同频率的信号同时进行传播时出现非线性因素时而导致的互调噪声
- 信号传输路径上其他无关信号而产生的串扰
- 周围环境因素而导致短时期的突发噪声
8.多径传输
多径干扰
由于障碍物和其他因素的影响还可能会出现反射、散射和衍射等多径传输
接收方会接收到具有不同延迟的信号的多个副本，迟来的上一个信号单元的多径分量会对当前分量造成多径干扰
二、掌握香农定理和那奎斯特定理的应用，了解波特率和数据速率的关系
1.香农定理
给出了有限带宽为H的无噪声信道的最大数据速率
Shannon定理：受噪声干扰的信道的最大数据速率
信噪比SNR常常用分贝dB为单位来表示: 10 logS/N dB
假设分贝值为x db，则信噪比=10 𝑥/10
数据速率C：每秒传输的比特数
采样定理（Sample Theorem）: 只需要以每秒2H次的频率采样就能够完整地重构原有的波形
2.那奎斯特定理
给出了有限带宽为H的无噪声信道的最大数据速率
数据速率C：每秒传输的比特数
波特率和数据速率两者之间的关系：C= B log2 L
L为信号可取的离散值的个数
信道的最大数据速率应该受到这两者的制约，取两者的最小值
3.波特率
波特率B：每秒信号状态变化的次数，以波特(baud)为单位
若信号码元宽度为T秒，则码元速率B为：1/T baud
4.数据速率
数据速率C：每秒传输的比特数
比特率也称数据传输速率，它的定义是单位时间内可以传输的比特数，单位为bps。
三、掌握NRZ、NRZI、曼彻斯特和差分曼彻斯特编码、4B5B、MLT-3
数字编码要解决的两个问题
- 时钟恢复：根据跳变来恢复时钟，可能长时间无跳变，从而接收和发送端之间很难进行比特同步
- 基线漂移：接收者一般怎么确定信号是高电压还是低电压呢？记录收到的信号的平均值（基线），然后与这个平均值进行比较。连续的1或者0就会改变这个平均值
1.NRZ(Non-Return-Zero）编码
一种信号状态（正电压）代表1，另一种信号状态（负电压）代表0
没有中间状态（零电压），即非归零编码
- 归零编码时每个脉冲之间会返回到零电压状态
2.NRZI(NRZ Inverted on ones)编码：差分编码
比较相邻的信号单元而不是仅仅根据目前的信号
用信号的跳变来表示1，无跳变表示0
解决了连续1的问题，但是对于连续0的问题无能为力
3.曼彻斯特编码
可以看作时钟和NRZ编码异或而成
每个比特的传输都有电压的跳变，一个比特时间T分为两半：高电压→低电压为1，低电压→高电压为0
曼彻斯特编码的编码效率只有50%!
4.差分曼彻斯特编码
比特时间的开始处的跳变有无来表示0或者1：有跳变表示0，没有跳变表示1
每个比特时间仍然有一个跳变，用来同步
需要更复杂的设备，更好的抗干扰性
5.数字编码：4B5B编码
4比特的数据用5比特的码组来编码
- 保证码组前面没有多于1个“0”，尾部没有多于2个“0”
- 采用4B5B编码的码组流不会出现超过连续3个“0”
5比特的码组再用NRZI编码（有跳变表示1）
- 每个5比特的码组至少有2个“1”，也就是有2次跳变
6.数字编码：多级传输MLT-3
MLT-3采用三种电压：正电压(+V)、负电压(－V)和零电压(0)
MLT-3采用差分编码，保证传输比特1时都有一次跳变，而比特0则没有跳变
- 如果要传输0，则采用和上一信号单元一样的电压
- 如果传输1，则要考虑上一信号单元的电压
- 如果为＋V或－V，则跳变为0；
- 如果为0，则跳变为+V或者-V，具体哪个还要考虑前面的最后一个非0电压是什么，跳变为该非0电压的反
四、了解什么是模拟传输和数字传输？放大器和转发器
1.模拟传输
模拟信号传输的方式，不关心携带的数据信号的内容（模拟数据或者数字数据）
信号的畸变和衰减：放大器也会放大噪声信号
2.数字传输
数字传输：广泛用于长距离通信中
关心信号的内容，需要能还原为数字数据
信道上可以是：
- 数字信号：一系列的0和1：可能是数字数据或者经过编码的模拟数据
- 模拟信号：代表数字数据
3.放大器
放大器也会放大噪声信号
4.转发器
转发器（Repeater）：恢复为数字数据，然后重新生成相应信号传递
五、掌握数字调制的3种基本方法：频率、幅度、相位，掌握星座图
1.数字调制
正弦波调制：载波为正弦波，参数包括幅度、频率、相位
过用数字基带信号改变正弦载波的幅度、频率和相位，来获得适合于在信道中传输的数字频带信号。
2.星座图
在星座图中，一个信号元素用一个点表示。它携带的位或者位组合一般写在它的旁边。
星座图有两根轴。水平X轴与同相载波相关，垂直Y轴与正交载波相关。图中每个点，可以包含4条信息。
点在X轴的投影定义了同相成分的峰值振幅，点在Y轴的投影定义了正交成分的峰值振幅。点到原点的连线(向量)长度是该信号元素的峰值振幅(X成分和Y成分的组合)，连线和X轴之间的角度是信号元素的相位。
- 星座图中，点到原点的距离代表的物理含义是：这个点对应信号的能量，离原点越远，意味着此信号能量越大。
- 相邻两个点的距离称为欧氏距离，表示的是这种调制所具有的的抗噪声性能，欧氏距离越大，抗噪声性能越好。
六、了解多路复用技术：FDM、OFDM、TDM、WDM、SDM、CDM
频分多路复用( frequency division multiplexing-FDM )
- 频分多路复用的各用户占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽（单位：Hz）而不是数据的发送速率），用户在分配到一定的带宽后，在通信过程中自始自终都占用这个频带。
时分多路复用( time division multiplexing-TDM )
- 时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙。每用户所占用的时隙是周期性出现（其周期就是TDM帧的长度），时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度。
波分多路复用(Wavelength division multiplexing-WDM)
- 波分复用就是光的频分复用。
码分多路复用( Code division multiplexing-CDM )
- 各用户使用相同频率载波，利用各自码片序列编码数据。
