1、物理层的基本概念
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，而不是指具体的传输媒体。物理层的作用是尽可能地屏蔽掉不同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，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。
物理层的协议也称为物理层规程。
- 物理层的特性：
（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的范围。
（3）功能特性
指明在某条线上出现的某一电平的意义。
（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，但在通信线路上的传输方式一般都是串行传输，即逐个比特按照事件顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。
2、数据通信的基础知识
（1）模型
一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
源系统：包括源点、发送器两部分。
目的系统：包括接收器、终点两部分。
（2）通信术语
消息：通信的目的是传递消息，如语音、文字、图像视频。
数据：运送消息的实体，使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。
信号：数据的电气或电磁的表现。
- 模拟信号（或连续信号）—— 代表消息的参数的取值是连续的。
- 数字信号（或离散信号）—— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元：代表不同离散数值的基本波形。
（3）信道中的基本概念
信道不等同于电路，信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
① 三种基本通信交互方式
- 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。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
- 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。
PS. 一般对讲机属于半双工！！！
- 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。
② 信号的分类与调制
a. 数字信号与模拟信号
百度百科定义：
数字信号指自变量是离散的、因变量也是离散的信号，这种信号的自变量用整数表示，因变量用有限数字中的一个数字来表示。
数字信号一般用方形脉冲来表示：
百度百科定义：
模拟信号是指用连续变化的物理量表示的信息，其信号的幅度，或频率，或相位随时间作连续变化，或在一段连续的时间间隔内，其代表信息的特征量可以在任意瞬间呈现为任意数值的信号。
b. 基带信号与带通信号
-
基带信号
来自信源的没有经过调制的信号，基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。基带信号可以是模拟信号，也可以是数字信号，由于频率低，在许多信道中无法传输，因此必须对其进行调制。 -
带通信号
经载波调制后的频率较高的信号。 调制方法有两种： 基带调制：调制后的信号仍是基带信号，又称为编码
带通调制：调制后的信号被转换为模拟信号。
c. 常用的编码方式
d. 基本带通调制的方法
（4）调制技术
| 信源数据 | 传输信号 | 通信方式 | 调制方式 |
|---|---|---|---|
| 模拟数据 | 模拟信号 | 模拟通信 | 调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM) |
| 模拟数据 | 数字信号 | 数字通信 | 脉冲编码调制（Pulse Code Modulation, PCM）：取样、量化、编码 |
| 数字数据 | 模拟信号 | 数据通信 | 幅移键控(ASK)、频移键控(FSK)、相移键控(PSK) |
| 数字数据 | 数字信号 | 数据通信 | 编码：极性编码、归零码、不归零码、双相码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码 |
（5）信道带宽
对于模拟信道，信道带宽 W = f2 - f1，f1 是信道能通过的最低频率，f2 是信道能通过的最高频率，两者都是由信道的物理特性决定的。
数字信道时一种离散信道，它只能传送取离散值的数字信号，信道的带宽决定了信道中能不失真地传输脉冲序列的最高速率。
（6）数字信道的极限传输速率
一个数字脉冲称为一个码元，用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内通过信道传输的码元个数。若信号码元的宽度为 T 秒，则码元速率 B = 1/T，单位为波特（Baud），所以码元速率也叫波特率。
① 奈奎斯特定理
有限带宽无噪声信道的极限码元速率为：
B = 2W（Baud） // W 为信道带宽
一个码元所带的位数是由码元所取的离散值种类所决定的，存在如下关系：
n = log2N // n 为码元所带位数，N 为码元种类数
根据上述两个公式，可以计算出理想无噪声状况下，信道的最大数据传输速率为：
R = B log2N = 2W log2N
【解析】W为带宽，单位Hz,n为几种码元，即码元的离散电平数目，即有n种码元波形。
【例题】在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为 6kHz ，若采用 4 个相位，每个相位具有 4 种振幅的 QAM 调制技术，那么该通信链路的最大数据传输速率变为（ ）
C = 2 * 6k * ㏒₂4*4 = 48 kbps
② 香农定理
有限带宽有噪声信道的极限数据速率：
C = W log2(1+S/N)
【解析】W 为信道带宽，S 为信号的平均功率，N 为噪声的平均功率，S/N 叫作信噪比，在实际使用中 S 与 N 的比值太大，故常取其分贝数（dB），分贝与信噪比的关系为：
dB = 10 log10(S/N)
3、物理层下的传输媒体
（1）导引型
- 双绞线： 最大传输距离为 100m，便宜。
- 同轴电缆：一般用在总线型网络，为了解决冲突一般用 CSMA/CD 协议协调多个站发送数据。
- 光纤：带宽大，抗干扰性强，重量轻，注意单模光纤比多模光纤要牛逼，传输更远。
（2）非导引型
- 短波：电离层反射
- 微波：穿透电离层，卫星通信
- 红外线、激光。
4、信道复用技术
（1）频分复用 FDM
频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）的所有用户在同样的时间占用不同的带宽（频率带宽）资源，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。
（2）时分复用 TDM
时分复用 TDM（Time Division Multiplexing）是将时间划分为一段段等长的时分复用帧。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。
统计时分复用 STDM（Statistic TDM）
（3）波分复用 WDM
波分复用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 就是光的频分复用。
（4）码分复用 CDM
码分复用 CDM（Code Division Multiplexing） ：在相同的时间使用相同的频带进行通信。
在 CDMA（码分多址：Code Division Multiplexing Access） 中，每一个比特时间被划分为 m 个短的间隔，称为码片（chip）。使用 CDMA 的每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列（chip sequence），发送比特 1 使用 m bit 码片序列，发送比特 0 使用码片序列的反码。
CDMA 系统的一个重要特点就是这种体制给每一个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交。
5、宽带接入技术
（1）ADSL
非对称数字用户线 ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带数字业务。
（2）光纤同轴混合网（HFC 网）
光纤同轴混合网（HFC 网，Hybrid Fiber Coax）是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。
【习题】
01 物理层要解决哪些问题？物理层的主要特点是什么？
物理层要解决的主要问题：
（1）物理层要尽可能地屏蔽掉物理设备和传输媒体、通信手段的不同，使数据链路层感觉不到这些差异，只考虑本层的协议和服务
（2）给其服务用户（数据链路层）在一条物理的传输媒体上传送和接收比特流的能力，为此，物理层应该解决物理连接的建立、维持和释放问题
（3）在两个相邻系统之间唯一地标识数据电路
物理层的主要特点：
（1）由于在 OSI 之前，许多物理规程和协议已经制定出来了，而且在数据通信领域中，这些物理规程已被许多商品化的设备所采用，加之，物理层协议涉及的范围广泛，所以至今没有按 OSI 的抽象模型制定一套新的物理层协议，而是沿用已存在的物理规程，将物理层确定为描述与传输媒体
02 规程和协议有什么区别？
规程专指物理层协议
03 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
【源点】源点设备产生要传输的数据，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再传输系统中进行传输。
【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，又称为目的站。
【传输系统】信号物理通道。
04 试解释以下名词：数据，信号，模拟数据，模拟信号，基带信号，带通信号，数字数据，数字信号，码元，单工通信，半双工通信，全双工通信，串行传输，并行传输。
【数据】运送信息的实体。
【信号】数据的电气或电磁表现。
【模拟数据】运行信息的模拟信号。
【模拟信号】连续变化的信号。
【基带信号】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。
【带通信号】经载波调制后的频率较高的模拟信号。
【数字数据】取值为不连续数值的数据。
【数字信号】取值为有限的几个离散值的信号。
【码元】在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
【单工通信】即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。
【半双工通信】即通信和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），这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。
【全双工通信】即通信的双方可以同时发送和接收信息。
05 物理层的接口有哪几方面的特性？各包含些什么内容？
（1）机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、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的范围。
（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。
（4）规程特性：说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
06 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？“比特/秒” 和 “码元/秒” 有何区别？
码元传输速率受奈式准则的限制，信息传输速率受香农公式的限制。
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率，就可实现无差传输。
比特/s 是信息传输速率的单位，码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率，一个码元不一定对应一个比特。
07 假定某信道受奈式准则限制的最高码元速率为 20000 码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为 16 个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（bit/s）?
C = R * Log2^16 = 20000 b/s *4 = 80000 b/s
08 假定要用 3 kHz 带宽的电话信道传送 64 kbit/s 的数据（无差错传输），试问这个信道应具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示）？这个结果说明什么问题？
由香农公式：C = W ㏒₂^(1+S/N) (bit/s)
W = 3kHz，C = 64 kbit/s，得 S/N = 2^(64/3) - 1
这是个对信噪比要求很高的信源
09 用香农公式计算一下，假定信道带宽为 3100 Hz，最大信息传输速率为 35 kbit/s，那么若想使最大信息传输速率增加 60%，问信噪比 S/N 应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比 S/N 再增大到 10 倍，问最大信息速率能够再增加 20%？
由香农公式可得，原信噪比为：2^(35000/3100) - 1 ≈ 2^11.3 -1 = 2520
信息传输速率增加 60%，则 S/N 应增大到：2^(1.6*35000/3100) - 1 ≈ 2^18 -1 = 262143
所以 S/N 应增大到原来的 262143/2530 = 104.025 倍
S/N 再增大10倍，则最大信息速率为 3100 * log2^2621430
3100 * log2^2621430 / 1.6 * 35000 ≈ 18.5%
10 常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？
导引型：双绞线、屏蔽双绞线、无屏蔽双绞线、同轴电缆、光缆
非导引型：短波通信、微波、红外、激光
11 假定有一种双绞线的衰减是 0.7 dB/km（在 1 kHz 时），若容许有 20 dB 的衰减，试问使用这种双绞线的链路的工作距离有多长？如果要使这种双绞线的工作距离增大到 100 公里，问应当使衰减降低到多少？
工作距离 20 dB / 0.7 dB/km = 28.57 km
20 dB / 100 km = 0.2 dB/km
12 为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？
为了通过共享信道、最大限度提高信道利用率。
频分、时分、波分、码分复用。
13 码分多址 CDMA 为什么可以使所有用户在同样的时间使用同样的频带进行通信而不会互相干扰？这种复用方法有何优缺点？
各用户使用经过特殊挑选的互相正交的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
优点：有很强的抗干扰能力，频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。
缺点：占用较大的带宽
14 共有四个站进行码分多址 CDMA 通信。四个站的码片序列为：
A：(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1) B：(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1)
C：(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1) D：(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1)
现收到这样的码片序列：(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是 1 还是 0？
A: 正交相乘的值为 1-1+3+1-1+3+1+1 = 8，所以 A 发送了数据 1
B: 1-1-3-1-1-3+1-1 = -8，B 发送了 0
C: 1+1+3+1-1-3-1-1 = 0，C 未发送数据
D: 1+1+3-1-1+3+1-1 = 8，D 发送了 1
15 试比较 ADSL、HFC 以及 FTTx 接入技术的优缺点。
【ADSL】
用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务，成本低，易于实现，但带宽和质量差异性大。
【HFC】
具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网。要将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网需要相当的资金和时间。
【FTTx】
可提供最好的带宽和质量，但现阶段线路和工程成本太大。
16 为什么在 ADSL 技术中，在不到 1 MHz 的带宽中却可以使传送速率高达每秒几个兆比特？
靠先进的 DMT 编码，频分多载波并行传输，使每秒传送一个码元就相当于每秒传送多个比特。