2.1物理层概述
物理层要实现的功能
在各种传输媒体上传输比特1和0，给上面的数据链路层提供透明传输比特流服务
数据链路层看不见也无需看见物理层究竟使用的是什么方法来传输比特流
数据链路层只管享受物理层提供的比特流传输服务即可
物理层接口特性
机械特性，电气特性，功能特性，过程特性
- 机械特性：形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置
- 电气特性：信号电压的范围，阻抗匹配的情况，传输速率，距离限制
- 功能特性：规定接口电缆的各条信号线的作用
- 过程特性：规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系
2.2物理层下面的传输媒体
传输媒体的分类
传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒介
传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中
传输媒体在物理层的下面
导向型传输媒体
同轴电缆
各层同轴心，同轴电缆具有很好的抗干扰性，广泛应用于高速率数据传输
一般分为基带同轴电缆（50Ω）主要用于数字传输，在早期局域网中广泛使用；宽带同轴电缆（75Ω），用于模拟传输，目前主要用于有线电视的入户线
缺点：同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，在局域网上一般使用双绞线作为传输媒体
双绞线
绞合的作用：减少相邻导线间的电子干扰，抵御部分来自外界的电磁干扰
目前大部分为超5类
光纤
一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽
多模光纤：
单模光纤：
多模光纤适用于建筑内的短距离传输，单模光纤适用于长距离传输
纤芯直径/包层的直径
光缆：
优点：
- 通信容量非常大
- 抗雷电和电磁干扰性能好
- 传输损耗小，中继距离长
- 无串音干扰，保密性好
- 体积小，重量轻
缺点：
- 切割光纤需要较贵的专用设备
- 目前光电接口还比较昂贵
非导向型传输媒体
无线电频谱管理机构：
中国：工业和信息化部无线电管理局（国家无线电办公室）
美国：联邦通讯委员会FCC
可自由使用的一些无线电频段：
ISM（Industrial Scientific and Medical）频段
美国的ISM频段：
无线电波
容易产生，且传播距离很远，广泛应用于通信
微波
主要有地面微波接力通信和卫星通信
还可以利用中低轨道卫星
红外线
点对点进行传输
直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
传输速率低（4Mb/s~16Mb/s）
激光
亮度高，方向性强单色性好，相干性强等
分为：大气激光通信和光纤通信
大气激光通信通过大气为传输媒介
可见光
2.3传输方式
串行传输和并行传输
串行只有一条线路，并行可以有多条线路
并行传输成本高，通常仅用于短距离传输
远距离一般采用并行传输
同步传输和异步传输
同步传输：
为了实现收发双方的时钟同步，可以采取以下措施：
- 外同步：在收发双方之间增加一条时钟信号线
- 内同步：发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送（例如曼彻斯特编码）
异步传输
以字节为传输单位，但字节间的时候间隔不固定，一般要给字节添加起始位和结束位
字节之间的异步，即字节之间的时间间隔不固定
字节内的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间是相同的
单向通信、双向交替通信和双向同时通信
单向通信
单工通信
无线电广播和电视广播都是单工通信
双向交替通信
半双工通信
通信双方都可以发送和接收信息，但是没法同时接收和发送
对讲机，总线型以太网各主机之间
双向同时通信
全双工通信
可以同时进行
2.4编码与调制
编码与调制的基本概念
调制分为基带调制和带通调制
基带调制也称为编码
码元：在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元
常用编码方式
双极性不归零编码：
整个码元期间，信号为正电平代码比特1信号为负电平代码比特0信号在整个码元期间不会回归到零电平
编码效率高，但是存在同步问题
双极性归零编码
在每个码元期间会回归到0电平
自同步，但编码效率低
曼彻斯特编码
码元的中间时刻发生电平跳变
自同步，10Mb/s传统以太网
差分曼彻斯特编码
在每个码元的中间时刻会发生跳变，码元中间时刻的电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据，每个码元的开始处是否有电平跳变，无跳变表示1，有跳变表示0
基本的带通调制方法和混合调制方法
带通调制方法
混合调制方法
载波的频率和相位是相关的，频率是随相位的变化率，所以载波的频率和相位不能进行混合调制
通常情况下，载波的相位和振幅可以结合起来一起调制，例如正交振幅调制QAM。
应该采用格雷码，任意两个相邻码元只有一个比特不同
2.5信道的极限容量
造成信号失真的主要因素
带宽受限，噪声干扰
造成失真的主要因素：
- 码元的传输速率：传输速率越高，信号经过传输后的失真就越严重
- 信号的传输距离：传输距离越远，信号经过传输后的失真就越严重
- 噪声干扰：噪声干扰越大，信号经过传输后的失真就越严重
- 传输媒体的质量：传输媒体质量越差，信号经过传输后的失真就越严重
奈氏准则
理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud
W:信道的频率带宽（单位为Hz）
Baud:波特，码元/s
只要码元传输速率不超过根据奈氏准测计算出的上限，就可以避免码间串扰
奈氏准则给出的是理想状态下的情况
波特率与比特率
码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率
波特率与比特率有一定的关系：
- 当一个码元只携带1比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的
- 当一个码元携带n比特的信息量时，波特率（码元/秒）转换成比特率（比特/秒）时，数值要乘以n
香农公式
C：信道的极限信息传输速率（单位为b/s）
W：信道的频率带宽（单位为Hz）
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，常用分贝（dB）表示
W或者S/N越大，信道的极限信息传输速率越大，但是不可能无限制的提高
实际信道能够达到的信息传输速率，要比香农公式低，在实际信道中信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰减。
注意：奈氏准则给出的是最高码元传输速率，题目要求的是最大数据传输速率，应该要先用奈氏准则算出最高码元传输速率，最后再乘比特
注意给出的分贝，要先进行转换
2.6信道复用技术
信道复用技术的基本原理
复用：在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号
当一条传输媒体的容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽
常见的信道复用技术
频分复用FDM
通过不用的频率范围，来进行复用
时分复用TDM
将时间划分为一段段等长的时隙，每一个时分复用的用户，在其相应的时隙内独占传输媒体的资源进行通信
各用户时隙周期性出现，周期为TDM帧的长度
时分复用的用户在不同的时间占用同样的频带进行通信
波分复用WDM
光的频分复用
可在同一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术
密集波分复用DWDM
码分复用CDM
常称为码分多址（CDMA)
用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信
CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片。m常取的值为64或128。
CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列
- 某个站要发送比特1，则发送它自己的m比特码片序列
- 某个站要发送比特0，则发送它自己的m比特码片序列的反码
如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加。
分配码片序列时，需要遵循一下规则：
