一.物理层概述

1.物理层要实现的功能

1. 导引型传输媒体：双绞线，光纤。
2. 非导引型传输媒体：自由空间中的无线信道，无线路由器。

物理层要实现的功能：在各种传输媒体上传输比特0和1，为上面的数据链路层提供“透明”传输比特流的服务。

2.物理层接口特征

1.机械特性

• 形状和尺寸
• 引脚数目和排列
• 固定和锁定装置
  

2.电气特性

• 信号电压的范围
• 阻抗匹配的情况
• 传输速率
• 距离限制
  

3.功能特性

• 规定接口电缆的各条信号线的作用
  

4.过程特性

• 规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系

二.物理层下面的传输媒体

1.传输媒体的分类

1. 传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒介。
2. 传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。
   

2.导向型传输媒体

1.同轴电缆

1. 由于外屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰性，被广泛应用于高速率数据传输。
2. 同轴电缆价格较贵旦布线不够灵活和方便。随着技术的发展和集线器的出现，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。

2.双绞线

绞合的作用：

1. 减少相邻导线间的电磁干扰。
2. 抵御部分来自外界的电磁干扰。

3.光纤

• 光纤通信利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信。由于可见光的频率非常高（约为108MHz量级)，因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
  

1. 当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角大于入射角。
2. 如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。
   
   

• 单模光纤的制造成本以及对光源的要求比多模光纤要高。
  

光纤的优点：

1. 通信容量非常大
2. 抗雷电和电磁干扰性能好
3. 传输损耗小，中继距离长
4. 无串音干扰，保密性好
5. 体积小，重量轻

光纤的缺点：

1. 割接光纤需要较贵的专用设备
2. 目前光电接口还比较昂贵

3.非导向型传输媒体

1.无线电波

2.微波

3.红外线

4.激光

5.可见光

三.传输方式

1.串行传输与并行传输

串行传输：在发送端和接收端之间只有一条数据传输线路，构成数据的多个比特，在这条数据传输线路上逐比特依次传输。

并行传输：在发送端和接收端之间有多条数据传输线路，构成数据的多个比特，被分别安排在不同的数据传输线路上同时传输。

1. 对比串行传输与并行传输：若比特在单条数据传输线路上的数据传输速率相同，则并行传输的数据传输速率是串行传输的数据传输速率的n倍，倍数n取决于并行传输所采用的数据传输线路的数量，也称为数据总线的宽度。
2. 数据总线的宽度：在计算机或其他数字系统中，数据在传输时的位数。它表示一次可以传输多少位的数据。例如，一个16位的数据总线可以一次传输16位（2字节）的数据，而一个32位的数据总线可以一次传输32位（4字节）的数据。
3. 并行传输的成本高，通常仅用于短距离传输，而远距离传输一般采用串行传输方式。

• 计算机的网卡同时具有串行传输和并行传输方式，当计算机通过其内部的网卡将数据发送到数据线路上时，网卡起到了 并/串转换。

2.同步传输和异步传输

同步传输：以比特为传输单位，数据块一比特流的形式传输，字节之间没有间隔，也没有起始位和终止位，接收端在每个比特信号的中间时刻进行采样，判别接收到的比特是0还是1。

要求：收发双方，对表示比特的信号的时间长度达成一致，即所谓的同步，然而在不采取任何其他措施的情况下，收发双方的时钟频率无法达到严格同步，在数据传输的过程中，收发双方时钟频率的误差积累，造成比特信号采样时刻的严重偏移。

收发双方时钟同步的方法：

1. 外同步：在收发双方之间增加一条时钟信号线。
2. 内同步：发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送（例如曼彻斯特编码）。

异步传输：以字节为传输单位，但字节之间的时间间隔并不固定，接收端只在每个字节的起始处，对字节内的比特实现同步，为此一般要给每个字节添加起始位和结束位。

注意：

1. 字节之间异步，即字节之间的时间间隔不固定。
2. 字节内的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间是相同的,

3.单向通信，双向交替通信，双向同时通信

单向通信：又称为单工通信，即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：又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。

双向同时通信：又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

总结：

1. 单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。
2. 双向同时通信的传输效率最高。

注意：

• 单工电台 中的 单工表示的是 双向交替通信，并不表示单向通信。

四.编码与调制

1.基带调制（编码）与带通调制

1. 计算机的网卡将比特0和比特1变换成相应的信号发送到传输媒体。
2. 来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。

基带调制：对数字基带信号的波形进行变换，使其能够与信道特性相适应，调制后的信号仍然是数字基带信号，由于基带调制是把数字信号转换成另一种形式的数字信号，因此基带调制也称为编码。

带通调制：将数字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，使其能够在模拟信号中传输。

2.码元

码元：信号的编码单元，在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。

3.常见的编码方式

1.不归零编码

2.归零编码

3.曼彻斯特编码

4.差分曼彻斯特编码

例题：

4.基本的带通调制方法和混合调制方法

1. 调幅（AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
2. 调频（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或频率f2。
3. 调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或相位180度。

使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。如何才能使1个码元包含更多个比特信息呢？为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。

例如：正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation）。

五.信道的极限容量

1.造成信号失真的主要因素

1.码元的传输速率

• 码元的传输速率越高，信号经过传输后的失真就越严重。

信道上传输的数字信号，可以看做是多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波。

图1：

图2：

图3：

1. 然而，数字信号在数字信道传输时，信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
2. 如果数字信号中的高频分量在传输时受到衰减甚至不能通过信道，则接收端接收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，每一个码元所占的时间界限也不再明确。这样，在接收端接收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。
3. 如果信道的频带越宽，则能够通过的信号的高频分量就越多，那么码元的传输速率就可以更高，而不会导致码间串扰。
4. 然而，信道的频率带宽是有上限的，不可能无限大。因此，码元的传输速率也有上限。

2.信号的传输距离

• 传输距离越远，信号经过传输后的失真就越严重。

3.噪声干扰

• 噪声干扰越大，信号经过传输后的失真就越严重。

4.传输媒体的质量

• 传输媒体质量越差，信号经过传输后的失真就越严重。

2.奈氏准则

理想低通信道的最高码元传输速率=2W Baud=2W 码元/秒

• W：信道的频率带宽（单位为Hz)
• Baud：波特，即码元/秒

1. 使用奈氏准则给出的公式，就可以根据信道的频率带宽，计算出信道的最高码元传输速率。
2. 只要码元传输速率不超过根据奈氏准则计算出的上限，就可以避免码间串扰。
3. 奈氏准则给出的是理想低通信道的最高码元传输速率，它和实际信道有较大的差别。因此，一个实际的信道所能传输的最高码元传输速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值。
4. 码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。

波特率与比特率有一定的关系:

1. 当1个码元只携带1比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的。
2. 当1个码元携带n比特的信息量时，波特率（码元/秒）转换成比特率（比特/秒）时，数值要乘以n。

有多少波型就代表有多少码元，再转化为bite。

3.香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

• C：信道的极限信息传输速率（单位为b/s)

• W：信道的频率带宽（单位为Hz)

• S：信道内所传信号的平均功率

• N：信道内的高斯噪声功率

• S/N：信噪比，常用分贝（dB)
  

• 信噪比：10 * log10(S/N)"和"信噪比：S/N"都是表示信号与噪声之间的比值，只不过它们采用了不同的表示方式。

• 信噪比：10 * log10(S/N) 是以分贝（dB）为单位来表示的信噪比。在计算过程中，信噪比的值会以分贝的形式呈现，更适合在实际应用中进行比较和评估。

• 信噪比：S/N 是简单地表示信号与噪声之间的比值，不进行对数运算。这种表示方式更为直观，但在一些计算过程中可能需要将其转换为分贝形式方便处理。

因此，两种表示方式都可以用来表示信号与噪声之间的比值，只是在表示形式上稍有不同，选择合适的方式取决于具体的应用场景和需求。

1. 信道的频率带宽W或信道中的信噪比S/N越大，信道的极限信息传输速率C就越高。
2. 实际信道不可能无限制地提高频率带宽W或信道中的信噪比S/N。
3. 实际信道中能够达到的信息传输速率，要比香农公式给出的极限传输速率低不少这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰减等，这些因素在香农公式中并未考虑。
   
   
   例题：
   
   
   
   
   

六.信道复用技术

1.信道复用技术的基本原理

1. 复用：就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。
2. 当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。
3. 尽管实现信道复用会增加通信成本（需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道），但如果复用的信道数量较大，还是比较划算的。
   

2.常见的信道复用技术

1.频分复用（FDM）

1. 频分复用：将传输媒体的总频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个通信子信道，每对用户 使用其中的一个子信道进行通信，各个子信道之间需要留出隔离频带，以免造成子信道间的干扰。
2. 频分复用的所以用户同时占用不同的频带资源发送数据，即便未发送数据的时候仍然占用。
3. 网络信号的传输主要依靠电磁波。

2.时分复用（TDM）

1. 时分复用：将时间划分为一段段等长的时隙，每一个时分复用的用户，在其相应时隙内，独占传输媒体的资源进行通信。
2. 时分复用的用户所对应的时隙，就构成了时分复用帧，即TDM帧。
3. 在使用时分复用技术进行通信的过程中，每个时分复用的用户所占用的时隙是周期性出现的，周期就是TDM帧的长度。
4. TDM帧实际上是一段固定长度的时间，它与数据链路层对等实体间逻辑通信的“帧”，是完全不同的概念。
5. 时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带。
6. 与操作系统的并发性类似。

3.波分复用（WDM）

1. 根据频分复用的设计思想，可在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术。
2. 目前可以在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为密集波分复用DWDM。
3. 铺设光缆的工程耗资巨大，应尽量在一根光缆中放入尽可能多的光纤，然后对每一根光纤使用密集波分复用技术。

例如，在一根光缆中放入100根速率为2.5Gb/s的光纤，对每根光纤采用40倍的密集波分复用，则这根光缆的总数据速率为：（2.5Gb/s×40)×100=10000Gb/s=10Tb/s。

4.码分复用（CDM）

1. 码分复用（CDM）常称为码分多址（CDMA）它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。
2. 与FDM和TDM不同，CDMA的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。
3. CDMA最初用于军事通信，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
4. 随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛用于民用的移动通信中。

重点：

1. CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片（Chip）。m的取值通常为64或128。为了简单起见，在后续的举例中，我们假设m的取值为8。
2. CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列
   某个站要发送比特1，则发送它自己的m比特码片序列。
   某个站要发送比特0，则发送它自己的m比特码片序列的反码。
   

重点：

1. 如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加。为了从信道中分离出每个站的信号，给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则：
2. 分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列。
3. 分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化内积为0。

令向量A表示站A的码片向量，向量B表示站B的码片向量。
两个不同站A和B的码片序列相互正交，就是向量A与向量B的规格化内积为0，如下式所示。


例题：

考研真题：

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