计算机网络基础-2-物理层
物理层
一、物理层概述
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体。物理层的作用是要尽可能地屏
蔽掉不同传输媒体和通信手段。用于物理层的协议也常称为物理层规程。
物理层主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性
机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
二、数据通信的基础知识
数据通信系统模型：一个数据通信系统包括三大部分：源系统(发送端、发送方)、传输系统(传输网络)、目的系统(接收端、接收方)
常用术语： 数据：运送消息的实体
信号：数据的电气的或电磁的表现
模拟信号：代表消息的参数的取值是连续的
数字信号：代表消息的参数的取值是离散的
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
信道：一般用来表示某一个方向传输信息的媒体
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消息，但不能双方同时发送
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消息。
基带信号(基本频带信号)：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含有较多
的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制。
调制分类：基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程成为编码。
带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬迁到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传
输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。带通信号指的是经过载波调制后的信号。
基带调制常用编码方式：不归零制：正电平代表1，负电平代表0
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳代表1，但也可放过来定义。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。
注意：从信号波形可以看出，曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制
不能从信号波形本身中提取信号时钟频率(即没有自同步能力)，而曼彻斯特和差分曼彻斯特具有自同步能力。
带通调制调制方法：基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一
问题，就必须对基带信号进行调制。
最基本的二元制调制方法有以下几种：调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化
信道的极限容量：任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。如果码元传输的速率越高，或信号传输的
距离越远，或传输媒体的质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素
有以下两个：信道能够通过的频率范围(具体的信道所能通过的的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过，在
任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，)
信噪比(噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪声是随机产生的，它的瞬间值有时会很大，但噪声的影响是相
对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响相对较小。
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N,并用分贝dB作为度量单位。记：
信噪比(dB) = 10log10(S/N) (dB)
例如：当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。)
香农公式：香农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。
信道的极限传输速率C可表达为：
C = W log2(1+S/N) (bit/s)
(W代表信道的带宽，单位为Hz。S为信道内所传输信号的平均功率。N为信道内部的高斯白噪声功率)
三、物理层下的传输媒体
传输媒体也称传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传
输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体(铜线和光纤)传播。在导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
1.导引型传输媒体
(1)双绞线：最常用的传输媒体。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，通信距离一般为几到几十公里。
屏蔽双绞线STP和无屏蔽双绞线UTP的区别：有无带有金属屏蔽层。
3类线和5类线的区别：绞合度不同。绞合度越高，抗干扰能力越强，传输速率越高
(2)同轴电缆：同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，同轴电缆的带宽取决于电缆的质量
50Ω同轴电缆常用于LAN / 数字传输，70Ω同轴电缆常用于有线电视 / 模拟传输
(3)光缆：光纤是光纤通信的传输媒体，由于可见光的频率非常高，约为108MHz的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他
各种传输媒体的带宽。
多模光纤：可以存在不同入射角度的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。
单模光纤：若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次全反射。
光纤优点：通信容量非常大；传输损耗小，中继距离长；抗雷电和电磁干扰性能好；无串音干扰，保密性好；体积小，重量轻。
2.非导引型传输媒体:将自由空间称为“非导引型传输媒体”，无线传输所使用的频段很广
(1)短波通信：(即高频通信)主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，通信速率低。
(2)微波通信：微波在空间中主要是直线传播。传统的微波通信有地面微波接力通信和卫星通信。
四、信道复用技术
复用是通信技术的基本概念。它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。
信道复用技术分为频分复用、时分复用和统计时分复用、波分复用、码分复用。
1.频分复用(FDM)：将整个带宽分为多份，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(注意：此处的带宽是频率带宽而不是数据的发送速率)
2.时分复用(TDM)：将时间划分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。每个用户所占用的时
隙是周期性出现的(其周期就是TDM帧的长度)。TDM信号也称为等时信号。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。使用时分
复用帧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。时分复用可能造成线路资源浪费。
3.统计时分复用(STDM)：提高了时分复用TDM的线路利用率
4.波分复用(WDM)：波分复用就是将光的频分复用。使用一根光纤同时传输多个光载波信号。
5.码分复用(CDMA)：常用名词码分多址，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
频谱类似白噪声，不易被敌人发现。每一个比特时间划分m个短的间隔，称为码片。每个站被指派一个唯一的m bit码片序列，例如:发送
比特1，则发送自己的mbit的码片，发送比特0，则发送自己该码片的二进制反码。
码片序列本质上实现了扩频，假定S站要发送信息的数据率为b bit/s,由于每一个比特要转换成m个比特的码片，因此S站实际上发送
的数据率提高到mb bit/s,同时S站所占用的频带宽度也提高到原来数值的m倍。这种通信方式是扩频通信中的一种。扩频通信通常有两大类，
一种为直接序列扩频DSSS,码片序列就是这一类，另一种是跳频扩频FHSS。
CDMA的特点是每个站分配的码片序列必须各不相同，并且还必须相互正交，在实际的系统中使用的伪随机码序列。码片序列的正
交关系可描述为：
CDMA原理：
