计算机网络 第2章 物理层
参考视频
2.1 物理层的基本概念
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（010101），而不是指具体的传输媒体（物理层下面）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用于物理层的协议也常称为物理层
规程
物理层的主要任务：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：指明某条线上出现某一电平的电压表示何种意义过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
2.2 数据通信的基本知识
2.2.1 数据通信系统的模型
一个数据通信系统包括三部分：
组成 | 包含 |
|---|---|
| 信源，发送器 |
| 传输系统 |
| 信宿，接收器 |
常用术语：
常用术语 | 说明 |
|---|---|
| 运送消息的实体 |
| 数据的电气的或电磁的表现 |
| 代表消息的参数的取值是连续的 |
| 代表消息的参数的取值是离散的 |
| 在使用时间域（时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形 |
计算机中传输的是数字信号（离散信号），而计算机间使用模拟信号（连续信号）传输，调制解调器就是负责这两种信号的转换
2.2.2 有关信道的几个基本概念
概念 | 说明 |
|---|---|
| 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体 |
| 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互 |
| 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收） |
| 通信的双方可以同时发送和接收信息 |
| 信源发出的没有进过调制的原始电信号（像计算机输出的代表各种文字或图像的信号都属于基带信号） |
基带信号往往包含较多的低频成分，甚至直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制。
调制分为两大类：
调制分类 | 说明 |
|---|---|
| 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 |
| 使用 |
基带调制变换后的信号依然是基带信号，把这种过程称为编码
经过载波调制后的信号称为
带通信号
原来的
基带信号可以通过高低电平来区分，而模拟信号从波形上看就是时间连续的信号，要通过幅度，频率，相位来进行区分
最基本的带通调制方法（二元制）： 
调制方法 | 说明 |
|---|---|
| 载波的振幅随基带数字信号而变化 |
| 载波的频率随基带数字信号而变化 |
| 载波的初始相位随基带数字信号而变化 |
调幅就是上0和1的幅度不一样，且差别越大越好，因为传输过程中可以受到干扰，如果幅度差别不大可能导致最后无法区分，最极端就是让0没有幅度，让1有幅度，从而实现区别0和1
调频通过让0和1具有不同的频率，实现区分0和1（频率就是单位时间内振动的次数，即波形数），这种情况下振幅要保持一致
调相要求波形具有相同的频率和振幅，用正弦波和余弦波区分0和1
常用编码方式： 
编码方式 | 说明 |
|---|---|
| 高电平代表1，低电平代表0 |
| 正脉冲代表1，负脉冲代表0 |
| 每个比特中心都产生一次跳变，向上跳动代表0，向下跳动代表1，也可以反过来定义 |
| 每个比特中心中心处始终都有跳动。主要看两个相邻比特的交界处是否有跳动。有跳动代表下个比特是0，没有跳动代表下个比特是1 |
不归零制频率低，不能从波形中提取时钟频率（相同比特没有跳变，无法得知是多少个比特，如发送方发送的是010，但由波形图，接收方无法得知是010，因为也可以是00 11 00 ，000 111 000等）
归零制通过脉冲跳变方式就解决了上述不归零制的存在的问题，但跳变次数太多又过于复杂，主要还是用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码
从波形信号中可以看出，
曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码产生的频率较高
从自同步能力来看，
不归零制不能从波形中提取信号时钟频率，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
2.2.3 信道的极限容量
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号的过程中会产生各种失真
码元的传输速率越高，信号传输的距离越远，传输媒体质量越差，在信道输出端的波形失真就会越严重
限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：
信道所能通过的频率范围
在任何信道中，码元传输的速率都是有上限的，具体由信道的
频带宽度决定如果信道的频带越宽（和信道介质的物理特性有关），也就是能通过的高频信号分量越多，那么就可以用更高的速率传输码元，而不会造成
码间串扰的问题（接收端不能识别码元）信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信设备中，是随机产生的，瞬时值有时很大，会使接收端对码元的判决产生错误。其影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小
理论上来说，S越大，N越小，信噪比就越高。但是当S提高时，N也在提高，所以整体的比值有可能是减小的
信道的极限信息传输速率（香农公式）： 
由香农公式可以看出：
信道带宽或信噪比越大，极限信息传输速率就越高
只要信息传输速率低于极限信息传输速率，就一定可以找到办法来实现无差错的传输
如果信道带宽和信噪比没有上限，那么信道的极限信息传输速率C也没有上限（当然实际是不可能的）
实际信道上的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少
对于带宽已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元的传输速率也达到了上限，还有办法提高信息的传输速率吗？
用编码的方式让每一个码元携带更多比特的信息量
2.3 物理层下面的传输媒体
2.3.1 导引型传输媒体
双绞线
功能多，便宜，是最常用的传输媒体
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里
两种类型的双绞线： 
类型 | 说明 |
|---|---|
| 带金属屏蔽层，能抵抗更多噪声干扰，使得传输速率更高 |
| 价格低，应用更广泛 |
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通信距离，带宽和屏蔽性能都要优于双绞线
光纤
光纤通信的传输媒体
光纤通信系统的传输带宽要远大于目前各种其他传输媒体
光纤工作原理：光线在纤芯中不断地
全反射
两种光纤：
类型 | 说明 |
|---|---|
| 光纤中可以传输多条不同角度入射的光线 |
| 光纤的直径减小到只有一个光的波长，使光线一直向前传播，而不会发生反射 |
单模光纤虽然一次只能传播一路信号，但是可以传输更远的距离，因为其能量损耗相对较小
如果希望一次有更多的信号被传输，可以用
多模光纤；如果希望信号传输得更远，可以用单模光纤
光纤的优点：
通信容量大
传输耗损小，中继距离长
抗雷电和电磁干扰性能好
无串音干扰，密保性好
体积小，重量轻
2.3.2 非导引型传输媒体
将自由空间称为非导引型传输媒体
类型 | 说明 |
|---|---|
| 所使用的频段很广 |
| 主要靠电离层的反射，通信质量差，传输速率低 |
| 主要是直线传播（穿过电离层） |
传统的微波通信有两种方式：
地面微波接力通信
卫星通信
2.4 信道复用技术
复用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 
2.4.1 频分复用、时分复用和统计时分复用
频分复用FDM
将整个带宽分为多份
所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的带宽是频率带宽，不是数据的发送速率）
时分复用TDM
所有用户在不同时间占用同样的频带宽度
每个用户占用的时隙周期性得出现（周期就是时分复用帧的长度）
时分复用会带来一个问题：当某用户暂时无数据发送时，分配给该用户的时隙就会处于空闲状态，造成线路资源的浪费
统计时分复用STDM
统计时分复用就是针对上述时分复用的问题的优化，它能明显地提高信道的利用率
STDM帧不是固定分配的，而是按需动态分配，从而可以提高线路的利用率
2.4.2 波分复用WDM
就是光的频分复用
2.4.3 码分复用CDM
常用名词：码分多址
各用户使用经过特殊挑选的不同
码型，因此彼此不会造成干扰这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪音，不易被敌人发现
关于码片序列：
使用
码片序列表示不同的码型发送比特1，则发送自己的码片序列
发送比特0，则发送该码片序列的反码
当要计算时，码片序列的0变为-1，,变为+1
码片序列实现了扩频：
码片序列的正交关系：
向量S表示站S的码片向量，向量T表示其他站的码片向量
两个不同站的码片序列正交，就是向量S和向量T的规格化内积为0（规格化内积就是二进制各位相乘后相加，再除以位数）
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1
一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积是-1
例题： 
问哪些站发送了数据，发送的是0还是1？
分别求A，B，C，D和结果序列的规格化内积，结果只有三种可能：0，1，-1
如果是0，则表示和别的站的码片求内积，本身没有发送数据
如果是1，表示和自己的码片求内积，发送了数据1
如果是-1，表示和自己反码的码片求内积，发送了数据0
2.5 数字传输系统
略
2.6 宽带接入技术
略
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