计算机网络-物理层

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，而不是指具体的传输媒体。物理层的协议也称为物理层规程。

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

1.机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。

2.电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。

3.功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。

4.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，但数据在通信线路上的传输方式一般是串行传输，因此物理层还要完成传输方式的转换。

数据通信的基础知识

一个数据通信系统可划分为三大部分：源系统、传输系统和目的系统。

源系统：

    源点：源点设备产生要传输的数据。

    发送器：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。

目的系统：

    接收器：接收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：终点设备从接收器获取传来的数字比特流，然后把信息输出。

传输系统：可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂的网络系统。

通信的目的是传送信息，数据是运送信息的实体，信号则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表信息的参数的取值方式不同，信号可以分为两大类：

1.模拟信号（连续信号）：代表信息的参数的取值是连续的。

模拟信号

2.数字信号（离散信号）：代表信息的参数的取值是离散的。在使用时间域（简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。

数字信号

单向通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信：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）。

双向同时通信：通信的双方可以同时发送或接收信息。

来自于信源的信号称为基带信号。基带信号为了能在信道上传输，通常需要经过调制。调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，是它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这类调制称为基带调制（编码）。另一类需要使用载波进行调制，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，经过载波调制的信号称为带通信号，使用载波的调制称为带通调制。

常用编码方式 最基本的三种调制方法

奈氏准则：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的识别成为不可能。

信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N  信噪比（dB）=10log10（S/N）(dB)

香农公式：信道的极限信息传输速率C =Wlog2（1+S/N）（bit/s）   W为信道的带宽，S为信道内所传信号的平均功率 ，N为信道内高斯噪声功率。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播，而非导引型传输媒体就是指自由空间，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、同轴电缆和光纤。

信道复用技术

复用是通信技术中的基本概念。

频分复用（FDM）：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

频分复用

时分复用（TDM）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧）。时分复用的所有用户实在不同的时间占用同样的频带带宽。

时分复用

在通信时，复用器和分用器成对地使用。

统计时分复用（STDM）：是一种改进的时分复用。集中器常使用这种统计时分复用。

统计时分复用

波分复用（WDM）：就是光的频分复用。

码分多址（CDMA）：

在CDMA中，每个比特时间再划分为 m 个短的间隔，称为码片。通常 m 的值是64或128，这里假设 m 为8。使用CDMA的每个站被指派一个唯一的 m bit码片序列。一个站如果要发送比特1，则发送它自己的 m bit码片序列。如果发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，指派 S 站的8bit码片序列是00011011。当 S 站发送比特1时，它就发送序列00011011，而当 S 发送比特0时，就发送11100100。为了方便，我们按惯例将码片中的0写为 -1 ，将1写为 +1.因此 S 站的码片序列是（-1，-1，-1，+1，+1，-1，+1，+1，）。

CDMA系统的一个重要特点就是每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，而且还必须互相正交。任何一个码片向量和该码片向量自己的内积都是1，一个码片向量和该码片反码向量的内积是 -1。

现假设有一个 X 站要接收 S 站发送的数据。X 站就必须直到 S 站的码片序列。X 站使用它得到的码片向量 S与接收到的位未知信号进行求内积运算。X 站接收到的信号是各个站发送的序列之和。所求内积的结果是：所有其他站的信号都被过滤（内积都是0），只剩下 S 站发送的信号。

宽带接入技术：

非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。

光纤同轴混合网（HFC网）实在目前覆盖面很广的有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网。

FTTx，字母 x 代表不同的光纤接入地点。