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(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流，而不是指具體的傳輸媒體。物理層的作用是盡可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異，使物理層上面的數(shù)據(jù)鏈路層感覺(jué)不到這些差異，這樣就可使數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)議和服務(wù)，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸媒體和通信手段是什么。

??物理層的協(xié)議也稱(chēng)為物理層規(guī)程。

• 物理層的特性：

（1）機(jī)械特性

??指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等。

（2）電氣特性

??指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。

（3）功能特性

??指明在某條線上出現(xiàn)的某一電平的意義。

（4）過(guò)程特性

??指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

??數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部多采用并行傳輸方式，但在通信線路上的傳輸方式一般都是串行傳輸，即逐個(gè)比特按照事件順序傳輸。因此物理層還要完成傳輸方式的轉(zhuǎn)換。

2、數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)

（1）模型

??一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大部分，即源系統(tǒng)（或發(fā)送端、發(fā)送方）、傳輸系統(tǒng)（或傳輸網(wǎng)絡(luò)）和目的系統(tǒng)（或接收端、接收方）。

• 源系統(tǒng)：包括源點(diǎn)、發(fā)送器兩部分。

• 目的系統(tǒng)：包括接收器、終點(diǎn)兩部分。

（2）通信術(shù)語(yǔ)

消息：通信的目的是傳遞消息，如語(yǔ)音、文字、圖像視頻。

數(shù)據(jù)：運(yùn)送消息的實(shí)體，使用特定方式表示的信息，通常是有意義的符號(hào)序列。

信號(hào)：數(shù)據(jù)的電氣或電磁的表現(xiàn)。

• 模擬信號(hào)（或連續(xù)信號(hào)）—— 代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。
• 數(shù)字信號(hào)（或離散信號(hào)）—— 代表消息的參數(shù)的取值是離散的。

碼元：代表不同離散數(shù)值的基本波形。

（3）信道中的基本概念

??信道不等同于電路，信道一般都是用來(lái)表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體，一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。

① 三種基本通信交互方式

• 單向通信

??又稱(chēng)為單工通信，即只能有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。無(wú)線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類(lèi)型。

• 雙向交替通信

??又稱(chēng)為半雙工通信，即通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送（當(dāng)然也不能同時(shí)接收）。這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收，過(guò)一段時(shí)間后可以再反過(guò)來(lái)。

PS. 一般對(duì)講機(jī)屬于半雙工?。?！

• 雙向同時(shí)通信

??又稱(chēng)為全雙工通信，即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。

② 信號(hào)的分類(lèi)與調(diào)制

a. 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)

百度百科定義：

數(shù)字信號(hào)指自變量是離散的、因變量也是離散的信號(hào)，這種信號(hào)的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個(gè)數(shù)字來(lái)表示。

數(shù)字信號(hào)一般用方形脈沖來(lái)表示：

百度百科定義：

模擬信號(hào)是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息，其信號(hào)的幅度，或頻率，或相位隨時(shí)間作連續(xù)變化，或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)。

b. 基帶信號(hào)與帶通信號(hào)

• 基帶信號(hào)

    來(lái)自信源的沒(méi)有經(jīng)過(guò)調(diào)制的信號(hào)，基帶信號(hào)就是發(fā)出的直接表達(dá)了要傳輸?shù)男畔⒌男盘?hào)，比如我們說(shuō)話的聲波就是基帶信號(hào)。基帶信號(hào)可以是模擬信號(hào)，也可以是數(shù)字信號(hào)，由于頻率低，在許多信道中無(wú)法傳輸，因此必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)制。
  

• 帶通信號(hào)

    經(jīng)載波調(diào)制后的頻率較高的信號(hào)。
  
  
  
  
    調(diào)制方法有兩種：
  

• 基帶調(diào)制：調(diào)制后的信號(hào)仍是基帶信號(hào)，又稱(chēng)為編碼

• 帶通調(diào)制：調(diào)制后的信號(hào)被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)。

c. 常用的編碼方式

d. 基本帶通調(diào)制的方法

（4）調(diào)制技術(shù)

（5）信道帶寬

??對(duì)于模擬信道，信道帶寬 W = f2 - f1，f1 是信道能通過(guò)的最低頻率，f2 是信道能通過(guò)的最高頻率，兩者都是由信道的物理特性決定的。

??數(shù)字信道時(shí)一種離散信道，它只能傳送取離散值的數(shù)字信號(hào)，信道的帶寬決定了信道中能不失真地傳輸脈沖序列的最高速率。

（6）數(shù)字信道的極限傳輸速率

一個(gè)數(shù)字脈沖稱(chēng)為一個(gè)碼元，用碼元速率表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)。若信號(hào)碼元的寬度為 T 秒，則碼元速率 B = 1/T，單位為波特（Baud），所以碼元速率也叫波特率。

① 奈奎斯特定理

有限帶寬無(wú)噪聲信道的極限碼元速率為：

????B = 2W（Baud） // W 為信道帶寬

一個(gè)碼元所帶的位數(shù)是由碼元所取的離散值種類(lèi)所決定的，存在如下關(guān)系：

????n = log₂^N // n 為碼元所帶位數(shù)，N 為碼元種類(lèi)數(shù)

根據(jù)上述兩個(gè)公式，可以計(jì)算出理想無(wú)噪聲狀況下，信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為：

????R = B log₂^N = 2W log₂^N

【解析】W為帶寬，單位Hz,n為幾種碼元，即碼元的離散電平數(shù)目，即有n種碼元波形。

【例題】在無(wú)噪聲情況下，若某通信鏈路的帶寬為 6kHz ，若采用 4 個(gè)相位，每個(gè)相位具有 4 種振幅的 QAM 調(diào)制技術(shù)，那么該通信鏈路的最大數(shù)據(jù)傳輸速率變?yōu)椋?）
C = 2 * 6k * ㏒?4*4 = 48 kbps

② 香農(nóng)定理

有限帶寬有噪聲信道的極限數(shù)據(jù)速率：

????C = W log₂(1+S/N)

【解析】W 為信道帶寬，S 為信號(hào)的平均功率，N 為噪聲的平均功率，S/N 叫作信噪比，在實(shí)際使用中 S 與 N 的比值太大，故常取其分貝數(shù)（dB），分貝與信噪比的關(guān)系為：

????dB = 10 log10(S/N)

3、物理層下的傳輸媒體

（1）導(dǎo)引型

• 雙絞線： 最大傳輸距離為 100m，便宜。
• 同軸電纜：一般用在總線型網(wǎng)絡(luò)，為了解決沖突一般用 CSMA/CD 協(xié)議協(xié)調(diào)多個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 光纖：帶寬大，抗干擾性強(qiáng)，重量輕，注意單模光纖比多模光纖要牛逼，傳輸更遠(yuǎn)。

（2）非導(dǎo)引型

• 短波：電離層反射
• 微波：穿透電離層，衛(wèi)星通信
• 紅外線、激光。

4、信道復(fù)用技術(shù)

（1）頻分復(fù)用 FDM

??頻分復(fù)用 FDM（Frequency Division Multiplexing）的所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬（頻率帶寬）資源，用戶(hù)在分配到一定的頻帶后，在通信過(guò)程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。

（2）時(shí)分復(fù)用 TDM

??時(shí)分復(fù)用 TDM（Time Division Multiplexing）是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶(hù)在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。

??統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM（Statistic TDM）

（3）波分復(fù)用 WDM

??波分復(fù)用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 就是光的頻分復(fù)用。

（4）碼分復(fù)用 CDM

??碼分復(fù)用 CDM（Code Division Multiplexing） ：在相同的時(shí)間使用相同的頻帶進(jìn)行通信。

??在 CDMA（碼分多址：Code Division Multiplexing Access） 中，每一個(gè)比特時(shí)間被劃分為 m 個(gè)短的間隔，稱(chēng)為碼片（chip）。使用 CDMA 的每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列（chip sequence），發(fā)送比特 1 使用 m bit 碼片序列，發(fā)送比特 0 使用碼片序列的反碼。

??CDMA 系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是這種體制給每一個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交。

5、寬帶接入技術(shù)

（1）ADSL

??非對(duì)稱(chēng)數(shù)字用戶(hù)線 ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技術(shù)是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶(hù)線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶數(shù)字業(yè)務(wù)。

（2）光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)）

??光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)，Hybrid Fiber Coax）是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。

【習(xí)題】

01 物理層要解決哪些問(wèn)題？物理層的主要特點(diǎn)是什么？

物理層要解決的主要問(wèn)題：

（1）物理層要盡可能地屏蔽掉物理設(shè)備和傳輸媒體、通信手段的不同，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺(jué)不到這些差異，只考慮本層的協(xié)議和服務(wù)
（2）給其服務(wù)用戶(hù)（數(shù)據(jù)鏈路層）在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流的能力，為此，物理層應(yīng)該解決物理連接的建立、維持和釋放問(wèn)題
（3）在兩個(gè)相鄰系統(tǒng)之間唯一地標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)電路

物理層的主要特點(diǎn)：
（1）由于在 OSI 之前，許多物理規(guī)程和協(xié)議已經(jīng)制定出來(lái)了，而且在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中，這些物理規(guī)程已被許多商品化的設(shè)備所采用，加之，物理層協(xié)議涉及的范圍廣泛，所以至今沒(méi)有按 OSI 的抽象模型制定一套新的物理層協(xié)議，而是沿用已存在的物理規(guī)程，將物理層確定為描述與傳輸媒體

02 規(guī)程和協(xié)議有什么區(qū)別？

規(guī)程專(zhuān)指物理層協(xié)議

03 試給出數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型并說(shuō)明其主要組成構(gòu)件的作用

【源點(diǎn)】源點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，又稱(chēng)為源站。
【發(fā)送器】通常源點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)要通過(guò)發(fā)送器編碼后才能再傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸。
【接收器】接收傳輸系統(tǒng)傳送過(guò)來(lái)的信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為能夠被目的設(shè)備處理的信息。
【終點(diǎn)】終點(diǎn)設(shè)備從接收器獲取傳送過(guò)來(lái)的信息，又稱(chēng)為目的站。
【傳輸系統(tǒng)】信號(hào)物理通道。

04 試解釋以下名詞：數(shù)據(jù)，信號(hào)，模擬數(shù)據(jù)，模擬信號(hào)，基帶信號(hào)，帶通信號(hào)，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，數(shù)字信號(hào)，碼元，單工通信，半雙工通信，全雙工通信，串行傳輸，并行傳輸。

【數(shù)據(jù)】運(yùn)送信息的實(shí)體。
【信號(hào)】數(shù)據(jù)的電氣或電磁表現(xiàn)。
【模擬數(shù)據(jù)】運(yùn)行信息的模擬信號(hào)。
【模擬信號(hào)】連續(xù)變化的信號(hào)。
【基帶信號(hào)】來(lái)自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。
【帶通信號(hào)】經(jīng)載波調(diào)制后的頻率較高的模擬信號(hào)。
【數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)】取值為不連續(xù)數(shù)值的數(shù)據(jù)。
【數(shù)字信號(hào)】取值為有限的幾個(gè)離散值的信號(hào)。
【碼元】在使用時(shí)間域的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。
【單工通信】即只有一個(gè)方向的通信而沒(méi)有反方向的交互。
【半雙工通信】即通信和雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送（當(dāng)然也不能同時(shí)接收），這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收，過(guò)一段時(shí)間再反過(guò)來(lái)。
【全雙工通信】即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。

05 物理層的接口有哪幾方面的特性？各包含些什么內(nèi)容？

（1）機(jī)械特性：指明接口所用的接線器的形狀和尺寸、引線數(shù)目和排列、固定和鎖定裝置等。
（2）電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。
（3）功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何意。
（4）規(guī)程特性：說(shuō)明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

06 數(shù)據(jù)在信道中的傳輸速率受哪些因素的限制？信噪比能否任意提高？香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信中的意義是什么？“比特/秒” 和 “碼元/秒” 有何區(qū)別？

碼元傳輸速率受奈式準(zhǔn)則的限制，信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制。
香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信中的意義是：只要信息傳輸速率低于信道的極限傳輸率，就可實(shí)現(xiàn)無(wú)差傳輸。
比特/s 是信息傳輸速率的單位，碼元傳輸速率也稱(chēng)為調(diào)制速率、波形速率或符號(hào)速率，一個(gè)碼元不一定對(duì)應(yīng)一個(gè)比特。

07 假定某信道受奈式準(zhǔn)則限制的最高碼元速率為 20000 碼元/秒。如果采用振幅調(diào)制，把碼元的振幅劃分為 16 個(gè)不同等級(jí)來(lái)傳送，那么可以獲得多高的數(shù)據(jù)率（bit/s）?

C = R * Log2^16 = 20000 b/s *4 = 80000 b/s

08 假定要用 3 kHz 帶寬的電話信道傳送 64 kbit/s 的數(shù)據(jù)（無(wú)差錯(cuò)傳輸），試問(wèn)這個(gè)信道應(yīng)具有多高的信噪比（分別用比值和分貝來(lái)表示）？這個(gè)結(jié)果說(shuō)明什么問(wèn)題？

由香農(nóng)公式：C = W ㏒?^(1+S/N) (bit/s)
W = 3kHz，C = 64 kbit/s，得 S/N = 2^(64/3) - 1 
這是個(gè)對(duì)信噪比要求很高的信源

09 用香農(nóng)公式計(jì)算一下，假定信道帶寬為 3100 Hz，最大信息傳輸速率為 35 kbit/s，那么若想使最大信息傳輸速率增加 60%，問(wèn)信噪比 S/N 應(yīng)增大到多少倍？如果在剛才計(jì)算出的基礎(chǔ)上將信噪比 S/N 再增大到 10 倍，問(wèn)最大信息速率能夠再增加 20%？

由香農(nóng)公式可得，原信噪比為：2^(35000/3100) - 1 ≈ 2^11.3 -1 = 2520
信息傳輸速率增加 60%，則 S/N 應(yīng)增大到：2^(1.6*35000/3100) - 1 ≈ 2^18 -1 = 262143
所以 S/N 應(yīng)增大到原來(lái)的 262143/2530 = 104.025 倍
S/N 再增大10倍，則最大信息速率為 3100 * log2^2621430 
3100 * log2^2621430 / 1.6 * 35000 ≈ 18.5%

10 常用的傳輸媒體有哪幾種？各有何特點(diǎn)？

導(dǎo)引型：雙絞線、屏蔽雙絞線、無(wú)屏蔽雙絞線、同軸電纜、光纜
非導(dǎo)引型：短波通信、微波、紅外、激光

11 假定有一種雙絞線的衰減是 0.7 dB/km（在 1 kHz 時(shí)），若容許有 20 dB 的衰減，試問(wèn)使用這種雙絞線的鏈路的工作距離有多長(zhǎng)？如果要使這種雙絞線的工作距離增大到 100 公里，問(wèn)應(yīng)當(dāng)使衰減降低到多少？

工作距離  20 dB / 0.7 dB/km = 28.57 km
         20 dB / 100 km = 0.2 dB/km

12 為什么要使用信道復(fù)用技術(shù)？常用的信道復(fù)用技術(shù)有哪些？

為了通過(guò)共享信道、最大限度提高信道利用率。
頻分、時(shí)分、波分、碼分復(fù)用。

13 碼分多址 CDMA 為什么可以使所有用戶(hù)在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信而不會(huì)互相干擾？這種復(fù)用方法有何優(yōu)缺點(diǎn)？

各用戶(hù)使用經(jīng)過(guò)特殊挑選的互相正交的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。
優(yōu)點(diǎn)：有很強(qiáng)的抗干擾能力，頻譜類(lèi)似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。
缺點(diǎn)：占用較大的帶寬

14 共有四個(gè)站進(jìn)行碼分多址 CDMA 通信。四個(gè)站的碼片序列為：

A：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) B：(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)

C：(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) D：(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)

現(xiàn)收到這樣的碼片序列：(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)。問(wèn)哪個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)了？發(fā)送數(shù)據(jù)的站發(fā)送的是 1 還是 0？

A: 正交相乘的值為 1-1+3+1-1+3+1+1 = 8，所以 A 發(fā)送了數(shù)據(jù) 1
B: 1-1-3-1-1-3+1-1 = -8，B 發(fā)送了 0
C: 1+1+3+1-1-3-1-1 = 0，C 未發(fā)送數(shù)據(jù)
D: 1+1+3-1-1+3+1-1 = 8，D 發(fā)送了 1

15 試比較 ADSL、HFC 以及 FTTx 接入技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

【ADSL】
    用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶(hù)線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)，成本低，易于實(shí)現(xiàn)，但帶寬和質(zhì)量差異性大。
【HFC】
    具有很寬的頻帶，并且能夠利用已經(jīng)有相當(dāng)大的覆蓋面的有線電視網(wǎng)。要將現(xiàn)有的 450 MHz 單向傳輸?shù)挠芯€電視網(wǎng)絡(luò)改造為 750 MHz 雙向傳輸?shù)?HFC 網(wǎng)需要相當(dāng)?shù)馁Y金和時(shí)間。
【FTTx】
    可提供最好的帶寬和質(zhì)量，但現(xiàn)階段線路和工程成本太大。

16 為什么在 ADSL 技術(shù)中，在不到 1 MHz 的帶寬中卻可以使傳送速率高達(dá)每秒幾個(gè)兆比特？

靠先進(jìn)的 DMT 編碼，頻分多載波并行傳輸，使每秒傳送一個(gè)碼元就相當(dāng)于每秒傳送多個(gè)比特。