第二章 物理层
重要内容
- 物理层的任务
- 几种常用的信道复用技术
- 几种常用的宽带接入技术，主要是ADSL、FTTx
核心知识点
1、物理层的基本功能：提供原始的比特流传输。尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
2、物理层的主要任务：
3、确定与传输媒体的接口有关的一些特性，如机械特性、电气特性、功能特性、过程特性。（下层传输媒体不属于物理层，只有接口属于物理层）
- 完成数据在计算机内部（并行传输）与通信线路上（串行传输）之间的串并传输方式的转换。
- 一个数据通信系统可分为：
- 源系统，包括源点和发送器。
- 传输系统。
- 目的系统：包括接收器和终点。
4、常用概念：
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通信的目的是传送消息。
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数据是运送消息的实体。数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。
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信号则是数据的电气或电磁表现。可分为：
- 模拟信号（连续信号）。
- 数字信号（离散信号）。
5、信道是向某一个方向传送信息的媒体。
通信可分为:
- 单向通信（单工通信）：只有一个方向的通信。如电视广播。
- 双向交替通信（半双工通信）：通信双方都可以发送消息，但不能同时发送。
- 双向同时通信（全双工通信）：通信双方都可以同时发送消息。
6、调制：将来自信源的低频甚至直流信号（基带信号）进行变换，使得这种低频直流信号可以便于在信道内传输。基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。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。基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，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 （modulation）。
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基带调制（编码）：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。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 coding。（数字信号到数字信号）
- 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，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
- 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。
基带调制
2. 带通调制：使用载波进行调制，调制后的信号是模拟信号。（数字信号到模拟信号）
- 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：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
7、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，S为信号平均功率，N为噪声平均功率，并用分贝dB 作为度量单位。即：
信噪比dB = 10 log10(S/N) dB
8、香农公式：香农定理给出了信道信息传送速率的上限（比特每秒）和信道信噪比及带宽的关系。。
- W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）；
- S 为信道内所传信号的平均功率；
- N 为信道内部的高斯噪声功率。
9、信道复用技术：允许多个用户使用共享信道通信，降低成本，提高利用率。
- 频分复用FDM：用户在同样的时间内占用不同的频率带宽而复用同一个信道
- 时分复用TDM：将时间划分为相同的时分复用帧TDM，用户在不同的时间占用相同的频带宽度。
- 统计时分复用STDM ：改进的时分复用，按需动态分配时隙，而不是固定分配时隙。
- 波分复用WDM：光的频分复用，利用在光纤技术通信中。
- 码分复用CDM: 每个用户在相同的时间使用相同的频带进行通信，但各用户使用经过挑选的不同码型，从而使得个用户之间可以进行独立的通信。
第二章习题
1、物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？
答：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，尽可能地屏蔽掉传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异。特点：（1）机械特性（2）电气特性（3）功能特性（4）过程特性。
2、试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构件的作用。
答：源点：源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站。
发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。
传输系统：信号物理通道
接收器：接收传输系统传送过来的信号，并将其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送过来的信息。终点又称为目的站
3、物理层的接口有哪几个方面的特性？各包含些什么内容？
答：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表示表示何种意义。
过程特性：指明对于不同功能的各种事件的出现顺序。
4、数据在信道中的传输速率受哪些因素的限制？信噪比能否任意提高？香农公式在数据通信中的意义是什么？
答：数据在信道上的传输速率的因素有：信道带宽、信噪比。
信道带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。信噪比不能任意提高。
香农公式在数据通信中的意义是：只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就可实现无差传输。
参考资料：
1、https://hillzhang1999.gitee.io/2020/05/22/ji-suan-ji-wang-luo-quan-bu-fu-xi-bi-ji/