计算机网络2.物理层
物理层的基本概念
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，而不是指具体的传输媒体。
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的差异。
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的意义。
- 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
数据通信的基础知识
数据通信系统的模型
一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
有关信道的几个基本概念
调制
调频，调幅，调相
不是码元越多越好。若每一个码元可表示的比特数越多，则在接收端进行解调时要正确识别每一种状态就越困难，出错率增加。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
- 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。把这种过程称为编码 (coding)。
- 带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，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 ：经过载波调制后的信号。
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变代表 1。但也可反过来定义。
- 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。
从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 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（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。
信道的极限容量
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
- 信噪比
奈氏准则: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。
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，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。 如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
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。即：
信噪比(dB) = 10 log10(S/N ) (dB)
香农公式
极限信息传输速率 C ;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。
C = W log2(1+S/N) (bit/s)
香农公式表明
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
物理层下面的传输媒体
导引型传输媒体
双绞线
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。(50 Ω 同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用;~~~75 Ω 同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用)
光缆： 多模光纤 ，单模光纤
光纤通信优点
- 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。
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。
- 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，传输速率低。
- 微波在空间主要是直线传播。
- 传统微波通信有两种方式： 1.地面微波接力通信2.卫星通信
信道复用技术
频分复用 FDM、时分复用 TDM、统计时分复用 STDM、波分复用 WDM、码分复用 CDM
复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。
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。
掌握码分复用的习题
数字传输系统
标准和同步问题
在早期电话网中，从市话局到用户电话机的用户线是采用最廉价的双绞线电缆，而长途干线采用的是频分复用 FDM 的模拟传输方式。
与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是经济上都有明显的优势。
目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方式。
脉码调制 PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路的电话。
宽带接入技术
ADSL 技术
从宽带接入的媒体来看，可以划分为两大类：有线宽带接入，无线宽带接入
非对称数字用户线 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技术就是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。ADSL 技术就把 0~4 kHz 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。ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器。
光纤同轴混合网（HFC网）
- HFC 网将原 CATV 网中的同轴电缆主干部分改换为光纤，并使用模拟光纤技术。
- 在模拟光纤中采用光的振幅调制AM，这比使用数字光纤更为经济。
- 模拟光纤从头端连接到光纤结点 (fiber node)，即光分配结点 ODN (Optical Distribution Node)。在光纤结点光信号被转换为电信号。在光纤结点以下就是同轴电缆。
FTTx 技术
FTTx 是一种实现宽带居民接入网的方案，代表多种宽带光纤接入方式。
FTTx 表示 Fiber To The…（光纤到…），例如：
- 光纤到户 FTTH (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，然后用电缆或双绞线分配到各用户。
- 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：光纤铺到路边，从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体。
