计算机网络第二章物理层（2）
（主要参考谢希仁《计算机网络》第七版）
2.1 物理层基本概念
物理层考虑怎样在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而传输媒体种类繁多，物理层的作用就是屏蔽掉这些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，这样就可以使数据链路层只考虑本层的协议和服务（其他层的原理亦是如此）。
物理层任务为确定与传输媒体的接口有关的一些特征：机械特征，电器特征，功能特征，过程特征。
计算机内部多采用并行式传输方式，通信线路一般采用串行式传输（经济考虑）。
2.2.1 数据通信系统模型
模拟信号：连续信号，代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号：离散信号，代表消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，一个码元所带的信息量是不同的，而是由调制方式和编码方式所决定。
可以划分为三大部分：源系统、传输系统、目的系统。
1 源系统：
1）源点，产生传输的数据；
2）发送器，数字比特流通过发送器编码转变为模拟信号，典型发送器就是调制器。
2 传输系统
3 目的系统
1）接收器，将模拟信息转化为数字比特流，此过程为解调，电信接收器就是解调器。
2）终点，信息的接收站点。
2.2.2 信道
1 信道一般表示某一个方向传送信息的媒体（或介质）。一个通信电路一般包含一条发送信道和一条接受信道。
单工通信：单向通信，只有一个方向的通信而没有反方向的交互，无线电广播和有线电广播。
半双工通信：双向交替通信，通信双发都可以发送信息，但不能同时发送，对讲机。
全双工通信：双向同时通信，通信的双方可以同时发送和接受消息。
单工通信需要一条信道，半双工和全双工都需要两条信道。
2 调制：
来自源的信号称为基带信号。
基带调制：将一种数字信号转为另一种数字信号（编码），仍是基带信号。
带通调制：载波调制，将数字信号转为模拟信号。
常见编码（基带调制）方式：（将一种数字信号转为另一种数字信号）
- 不归零调制，正电平代表1，负电平代表0（最简单，但不知道是否结束）。
- 归零制，正脉冲代表1，负脉冲代表0。
- 曼彻斯特编码，位周期中心向上跳代表0，向下跳代表1，反之也行。
- 差分曼彻斯特编码，在每一位的中心处始终有跳变，位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1。
带通调制方式：（将数字信号转为模拟信号）
- 调幅（AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。
- 调频（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。
- 调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。
2.2.3 信道的极限容量
取决于以下两个因素
1 信道能够通过的频率范围
在任何信道中，码元的传输速率有上限的，若传输速率超过此上限，则会出现码间串扰问题，（说话太快听不清），奈氏准则可以推倒这一上限值。
2 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，记为S/N，单位位分贝(dB)。
信噪比(dB) = 10 * log10(S/N) (dB)。当S/N = 10时，信噪比为10分贝，当S/N = 1000时，信噪比为30分贝。
香农公式：
- 信道的极限信息传输速率 C = W log2(1+S/N) (bit/s)
- W为信道的带宽(Hz)，S为信号的平均功率，N为噪声的平均功率。
- 信道的带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
2.3 物理层下的传输媒介
传输介质可分为两类：
导引型传输媒介和非导引型传输媒介（有线和无线）
导引型传输媒介，电磁波沿着固体介质（铜线光纤等）传播，非导引型则电磁波进行无线传输。
2.3.1 导引型传输媒体
1 双绞线
两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后绞合起来，绞合可以减少相邻导线的电磁干扰。最常用电话线。
模拟信号和数字信号都可以用双绞线，距离一般为几到几十公里，若距离太长则需要放大器（放大信号）或中继器（对失真信号重整），导线越粗，传输越远。
屏蔽双绞线(STP)，抗干扰强，价格贵。无屏蔽双绞线（UTP）。
2 同轴电缆
铜质线芯，绝缘层，外屏蔽层组成，抗干扰强。
3 光缆（或光导纤维或光纤）
非常透明的石英玻璃拉成细丝，利用光的全反射（入射角足够到，发生了全反射）。有单模和多模组成。
传输损耗小，中继距离长；抗雷电和电磁干扰性能较好；保密性好；体积小，重量轻。
2.3.2 非导引型传输媒体
1 短波通信
即高频通信，靠电离层反射，容易产生多径效应，通信质量差，传输速率慢。
2 无线电微波通信
微波范围300MHz~300GHz（波长1m~1mm），主要用2~40GHz。在空间中沿直线传播，主要有微波接力和卫星通信。
微波接力有电话、电报、图像、数据等信息，其特点
- 频率高，频带范围宽，因此通信信道容量很大。
- 工业干扰和天电干扰的频率较低，因此抗干扰能力强，传输质量高。
- 与相同容量和长度的电缆载波通信比较，微波接力投资小，跨地区、江河。
- 缺点：相邻站不能有障碍物，受天气影响，与电缆比隐蔽性和保密性差，维护需要财力和人力。
卫星通信
相当于用卫星当中继站，进行卫星接力通信。较大的传播时延。
3 红外通信、激光通信
2.4 信道复用技术
复用，在发送端使用一个复用器，采用复用技术，共享一个传输信道，再在接收处用分用器。
1 频分复用 FDM
用户在分配到一定的频带之后，在通信过程中始终占用这个频带。可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。
2 时分复用 TDM
将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM帧），每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。时分复用的所有用户在不同的时间占有同样的频带宽度。异步时分复用（即统计时分复用STDM），对时分复用进行动态调整。
3 波分复用 WDM
就是光的频分复用，由于光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用得光载波，这样就使用了波分复用这一名词。
4 码分复用 CDM
即码分多址CDMA，每一个比特时间再划分为m个时间间隔，称为码片，CDMA系统的地址码相互具有准正交性，以区别地址，而在频率、时间和空间上都可能重叠。也就是说，每一个用户有自己的地址码，这个地址码用于区别每一个用户，地址码彼此之间是互相独立的，也就是互相不影响的。
2.6 宽带接入技术
1 ADSL技术
即非对称数字用户线技术，用数字技术对现有的模拟电话用户进行改造，使它能够承载宽带数字业务。
2 光纤同轴混合网 HFC网
在有线电视网的基础上开发的一种居民宽带接入网，除看电视外，还可以电话、数据和其他宽带交互型业务。
3 FTTx技术
即光纤到某某技术，比如光纤到户等。