物理层
基本概念
可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的特性：
- 机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、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
数据在计算机内部多采用并行传输方式，但在通信线路上一般都是串行传输(经济因素)，即逐个比特按照时间顺序传输
数据通信
数据通信系统可划分为三个部分：源系统、传输系统、目的系统
源系统一般分为两个部分：
- 源点(source)：源点设备产生要传输的数据
- 发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输，典型的发送器是调节器
目的系统一般也分为两个部分：
- 接收器：接受传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息
- 终点(destination)：从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出
模拟信号是连续的，数字信号是离散的
代表不同离散数值的基本波形成为码元
- 一个码元携带的信息量不固定，由调制方式和编码方式决定
从通信的双方信息交互方式来看，有以下三种基本方式:
- 单工通信：只能由一个方向的通信而没有反方向的交互
- 半双工通信：通信的双方都可以发送信息，但不能同时发送
- 全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息
来自信源的信号成为基带信号，必须进行调制
调制可分为两大类：
- 基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变化
- 这是把数字信号转换为另一种数字信号，因此成为编码
- 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
- 经过调制的信号成为带通信号
编码和调制
常用编码方式如图
- 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，向下跳变代表1
- 差分曼彻斯特编码：每一位的中心处始终有跳变，位开始边界有跳变为0，没有跳变为1
从信号波形来看，曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高
从自身同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率
- 曼彻斯特编码具有自同步能力
基本的带通调制方法如图
- 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)：载波二点初始相位随基带数字信号而变化
信道
码元传输速率越高，信号传输距离越远，噪声干扰越大，传输媒体质量越差，在接收端的波形失真就越严重
限制码元在信道上传输速率的因素：
信道能够通过的频率范围
码间串扰：信号中的高频分量在传输时收到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限
为避免码间串扰，奈奎斯特(Nyquist)提出了奈氏准则，给出了在假定的理想条件下，码元的传输速率的上限值
奈氏准则:理想低通信道下的极限数据传输率 = 2W$\log_2V$(b/s)
- 其中W是理想低通信道的带宽(Hz), V表示每个码元离散电平的数目(有多少种不同的码元)
信噪比
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)作为度量单位信噪比(dB) = $10log_{10} (S/N)$(dB)
信息论的创始人香农(shannon)推导出了香农公式，推导出信道的极限传输速率
香农公式:C = W$log_2(1 + S/N)$（bit/s）
其中W为信道的带宽(Hz)， S为信道内锁传信号的平均功率，N为信道内部高斯噪声的功率
香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信道的极限传输速率就越高
可以通过编码的方式让每一个码元携带更多比特的信息量，以提高信息传输速率
传输媒体
传输媒体可以分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体
- 在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输
导引型传输媒体
- 双绞线/
双扭线
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合(twist)起来就构成了双绞线
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线外面再加上一层由金属丝编制成的屏蔽层，也就是屏蔽双绞线STP(Shielded Twisted Pair)，价格也比无屏蔽双绞线UTP贵(Unshielded Twisted Pair)
- 聚氯乙烯套层 -> （屏蔽层）-> 绝缘层 - > 铜线
| 绞合线类型 | 带宽 | 线缆特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 3 | 16MHz | 2对4芯双绞线 | 模拟电话，曾用于传统以太网(10Mbit/s) |
| 4 | 20MHz | 4对8芯双绞线 | 曾用于令牌局域网 |
| 5 | 100MHz | 与4类相比增加了绞合度 | 传输速率不超过100Mbit/s的应用 |
| 5E(超5类) | 125MHz | 与5类相比衰减更小 | 传输速率不超过1Gbit/s的应用 |
| 6 | 250MHz | 与5类相比改善了串扰等性能 | 传输速率高于1Gbit/s的应用 |
| 7 | 600MHz | 使用屏蔽双绞线 | 传输速率不超过10Gbit/s的应用 |
现在最常用的是5类线
同轴电缆
同轴电缆由内导体铜质导线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层组成同轴电缆具有很好的抗干扰性，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，目前高质量的同轴电缆带宽已接近1GHz
光缆
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信一个光纤系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽
光纤是光纤通信的传输媒体
从纤芯中射到纤芯表面的光线的入射角大于某个临界角度，就可产生全反射
多模光纤：存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输
单模光纤：光纤的直径减少到只有一个光的波长，使光纤一直向前传播，而不会发生多次反射光纤非常细，必须做成很结实的光缆
光纤不仅具有通信容量非常大的优点，而且还有一些其他的特点：
- 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
- 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
低频LF：30kHz ~ 300kHz
中频MF：300kHz ~ 3MHz
高频HF ：3MHz ~ 30MHz
传统的微波通信主要有两种形式：
- 地面微波接力通信 ：需要中继器将信号放大，可传输电话、电报、图像、数据等信息
- 微波波段频率很高，其频带范围也很宽，因此通信信道容量很大（卫星通信也是）
- 卫星通信
最大特点是通信距离远，通信费用与通信距离无关，但是具有较大的传播时延
信道复用技术
复用是通信技术中的基本概念
最基本的复用就是频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)和时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
频分复用的所有用户在同样的时间内占用不同的带宽资源
- 这里的带宽指的是频率带宽而不是数据的发送速率
时分复用把时间划分成一段段等长的时分复用帧(TDM帧)
- TDM信号也称为等时信号
时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度
当用户暂时无数据发送时，在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，这会导致复用后信道利用率不高
复用器和分用器总是成对使用，两者之间是用户共享的高速信道
统计时分复用STDM(Statistic TDM)
STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态分配时隙
- 一个用户所占用的时隙并不是周期性地出现，因此又称为异步时分复用
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)就是光的频分复用
- 现在已经能在一根光纤上复用几十路甚至更多路数的光载波信号，于是使用了密集波分复用DWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)这一名词
波分复用的复用器可称为合波器，解复用器（分用器）又称为分波器
码分复用CDM(Code Division Multiplexing)是一种共享信道的方法，其实人们更常用的名词是码分多址CDMA(Code Division Multiple Access),每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信
在CDMA中，每一个比特时间再划分为m个短的间隙，成为码片(chip),通常m的值是64或128
了实现多用户同时通信而互补干扰，要求每个发送信号的站都使用不同的码片，也就是说使用CDMA的每一个站都被指派了一个唯一的mbit的码片序列
一个站如果要发送比特1，则发送他自己的mbit码片序列
一个站如果要发送比特0，则发送自己的mbit码片序列的反码
为了方便，我们按惯例将码片序列中的0写为-1，将1写为+1，这种通信方法称为直接序列扩频DSSS(Dienct Sequence Spread spectrum)
对于码片的挑选有以下原则：
- 分配给每个站的码片序列必须各不相同
- 分配给每个站的码片序列必须相互正交（规格化内积为零）
规格化内积计算公式：$S \cdot T = \frac{1}{m}\sum_{i = 1}^m{S_iT_i}=0$
- 任何一个码片向量和自己的码片反码的向量的内积为-1
- 任何一个码片向量和自己的码片向量的内积为1