第二章：物理层
0：绪论
OSI协议（7层）
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应用层
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表示层
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会话层
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运输层
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网络层
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数据链路层
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物理层
TCP/IP协议（4层）
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应用层
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运输层
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网际层
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网络接口层
教材串讲的体系结构（5层）
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应用层
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运输层
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网络层
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数据链路层
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物理层
1：物理层的基本概念
物理层：如何在连接计算机的传输媒体上传输数据比特流
作用：屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异
规程（procedure）：靠近物理层的协议
协议（protocol）：靠近软件层的协议
物理层的主要任务
任务：确定与传输媒体的接口的一些特性
4个特性：
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机械特性（接线器形状尺寸）
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电气特性（电线上的电压范围）
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功能特性（电平电压的意义）
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过程特性（对不同功能的可能事件的出现顺序）
2：数据通信的基础知识
2.1：数据通信系统的模型
三大部分：
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源系统（发送端、发送方）
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传输系统（传输网络）
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目的系统（接收端、接收方）
常用术语：
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消息（message）：Image、Video、Audio、Text
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数据（data）：运送消息的实体
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信号（signal）：数据的电气或电磁表现模拟信号------连续数字信号------离散
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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
2.2：信道相关的基本概念
【1】信道：向某个方向传送信息的媒体
【2】单向通信（单工通信）
只能有一个方向的通信，例如：广播
【3】双向交替通信（半双工通信）
双方都可发送信息，但不能同时发送和接收，例如：对讲机
【4】双向同时通信（全双工）
双方可以同时发送和接受信息，通常是2个单工通信组合而成
【5】基带信号
基本频带信号
来自信源的信号，包含较多低频成分
【6】调制
基带调制：变换基带信号的波形，把数字信号转换为另一种形式的数字信号，即编码（coding）
带通调制：使用载波调制，把基带信号频率调高 ，并转换为模拟信号 ，转换后的信号是带通信号（仅在一段频率范围内可通过信道）
常用编码方式
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不归零制：电平，正1负0
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归零制：脉冲，正1负0
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曼切斯特编码：位周期中心跳动，上0下1
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差分曼切斯特编码：位开始边界，有跳变0，无跳变1
信号频率：曼切斯特编码和差分曼切斯特编码 > 不归零制
自同步能力：曼切斯特编码和差分曼切斯特编码具备，不归零制不具备（不能从波形本身提取信号时钟频率）
基本的带通调制方法
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调幅（AM）：振幅变化
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调频（FM）：频率变化
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调相（PM）：初始相位变化
正交振幅调制（QAM）
振幅、相位混合调制
信息传输速率更快
2.3：信道的极限容量
限制码元在信道上的传输速率的因素
【1】信道可通过的频率范围
码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限（波形失去码元界限）
奈氏准则：码元传输的最高速率 = 2W 码元/秒
【2】信噪比
定义：信号的平均功率和噪声的平均功率之比
单位：分贝dB
信噪比
香农公式：信道的极限信息传输速率
W：信道的带宽，Hz
S：信号平均功率
N：高斯噪声功率
单位：bit/s
提高信息传输速率的方法：用编码方法，让每个码元携带的信息量更大
奈氏准则和香农公式的不同：前者激励编码技术，后者告诫速率的绝对极限
3：物理层下面的传输媒体
传输媒体：数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路
3.1：导引型传输媒体
定义：电磁波被导引沿着固体媒体传播
双绞线
2根绝缘铜导线绞合
绞合度越高，数据传输率越高
【1】无屏蔽双绞线UTP：无屏蔽层、价格便宜
【2】屏蔽双绞线STP：带屏蔽层、必须有接地线
常用绞合线
【1】3类，电话使用
【2】5类，传输速率100M bit/s
【3】5E（超5）类，传输速率1G bit/s
【4】6类，传输速率10G bit/s
双绞线的衰减，随频率的升高而增大
同轴电缆
绝缘保护套层 + 外导体屏蔽层 + 绝缘层 + 内导体
抗干扰性好
光缆/光纤
发送端------要有光源
接收端------要有光检测器
原理：全反射
组成：包层（低折射率） + 纤芯（高折射率）
多模光纤：存在多条光线在一条光纤中传输
单模光纤：不会产生多次反射，光线一直向前传播
使用的光波波段：850nm、1300nm、1550nm
3.2：非导引型传输媒体
定义：自由空间，无线传输
无线电微波通信
在空间中主要直线传播
多径效应：基站发出的信号可以经过多个障碍物的数次反射，从多条路径、按不同时间等到达接收方
误码率，不能大于可容许的范围
远距离微波通信：微波接力
卫星通信
低轨道
卫星信道的传播时延较大
无线局域网使用的ISM频段
无线局域网：使用无线信道的计算机局域网
ISM频段可自由使用
4：信道复用技术
4.1：频分复用、时分复用、统计时分复用
复用：允许用户使用一个共享信道进行通信
频分复用FDM
将整个带宽分成n个频带，用户被分配频带后，将自始至终占用该频带
所有用户在同样的时间占用**不同带宽（频带）**资源
时分复用TDM
将时间划分为多个等长的时分复用帧（TDM帧）
每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙 ，该时隙周期性出现，周期是TDM帧的长度
所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。
时分复用会导致信道利用率不高 ------当用户暂时无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态
频分多址和时分多址
频分多址（FDMA）：N个用户各使用一个频带，或让更多用户轮流使用N个频带
时分多址（TDMA）：N个用户各使用一个时隙，或让更多用户轮流使用N个时隙
复用器和分用器
复用器和分用器，成对使用，通过共享信道连接
统计时分复用STDM
STDM 帧通过集中器 ，按需动态地分配时隙
作用：提高线路的利用率
4.2：波分复用
波分复用WDM：使用一根光纤来同时传输多个光载波信号（光的分频复用）
4.3：码元复用
码元复用CDM：每个用户可以在同样的时间 使用同样的频带进行通信
码分多址 CDMA：CDM信道为多个不同地址的用户所共享
CDMA工作原理
码片（chip）：把每个比特时间，划分为m个短间隔
为每个站指派一个唯一的m bit码片序列
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发送bit 1：发送码片序列
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发送bit 0：发送码片序列的反码
码片序列实现了扩频：要发送的数据率为b bit/s，实际发送的数据率为mb bit/s，占用频带宽度提高了m倍
扩频方法
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直接序列扩频DSSS
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调频扩频FHSS
CDMA特点
【1】每个站分配的码片序列不同 ，且必须互相正交正交：规格化内积 = 0
【2】任何一个码片向量和自己的规格化内积 = 1
【3】一个码片向量和其反码的向量的规格化内积 = -1
5：数字传输系统（skip）
6：宽带接入技术
6.1：ADSL技术
非对称数字用户线 ADSL：用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造
ADSL 的 ITU 的标准：G.992.1（或称 G.dmt）
非对称：下行带宽 >> 上行带宽
最大好处：可以利用现有电话网中的用户线（铜线），而不需要重新布线。
ADSL 调制解调器
离散多音调 DMT技术
DMT采用频分复用FDM
ADSL不能保证固定的数据率
ADSL组成
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数字用户线接入复用器DSLAM
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用户线
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用户家中的设施
第二代ADSL
ADSL2（G.992.3和G.992.4）和 ADSL2+（G.992.5）
6.2：光纤同轴混合网（HFC）
HFC网基于有线电视网CATV网
改造：把原有线电视网中的同轴电缆主干部分改换为光纤
HFC网具有双向传输功能，扩展了传输频带
机顶盒与电缆调制解调器
6.3：FTTx技术
代表多种宽带光纤接入方式
FTTx表示Fiber To The...（光纤到...）
光配线网 ODN
位于光纤干线和广大用户之间
无源光网络 PON：无源的光配线网，分为以太网无源光网络 EPON和吉比特无源光网络 GPON
采用波分复用 WDM，上行和下行分别使用不同的波长