物理層

物理層的基本概念

物理層考慮的是：怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是指具體的傳輸媒體，
物理層的作用是：要盡可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異，
用于物理層的協議也常稱為物理層規程 (procedure)，

物理層的主要任務：確定與傳輸媒體的介面特性
	    機械特性 ：指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等，
    	電氣特性：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的范圍，
   	 	功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義，
    	程序特性 ：指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序，

資料通信的基礎知識

資料通信系統

資料通信系統劃分：
源系統：發送端/發送方
傳輸系統：傳輸網路
目的系統：接收端/接收方

常用術語

資料 (data) —— 運送訊息的物體，
信號 (signal) —— 資料的電氣的或電磁的表現，
模擬信號 (analogous signal) —— 代表訊息的引數的取值是連續的，
數字信號 (digital signal) —— 代表訊息的引數的取值是離散的，
碼元 (code) —— 在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形， 

有關信道的幾個基本概念

信道 ：一般用來表示向某一個方向傳送資訊的媒體，
    單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的互動，
    雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發送資訊，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)，
    雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發送和接收資訊，
    基帶信號（即基本頻帶信號）—— 來自信源的信號，像計算機輸出的代表各種文字或影像檔案的資料信號都屬于基帶信號，
    基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量，因此必須對基帶信號進行調制 (modulation)， 

調制分為兩大類

基帶調制：僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應，變換后的信號仍然是基帶信號，把這種程序稱為編碼，
帶通調制：使用載波進行調制，把基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段，并轉換為模擬信號，這樣就能夠更好地在模擬信道中傳輸（即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道） 
帶通信號：經過載波調制后的信號
	常用編碼方式：
	 	不歸零制：正電平代表 1，負電平代表 0，
		歸零制：正脈沖代表 1，負脈沖代表 0，
		曼徹斯特編碼：位周期中心的向上跳變代表 0，位周期中心的向下跳變代表 1，但也可反過來定義，
		差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變，位開始邊界有跳變代表 0，而位開始邊界沒有跳變代表 1，
	基本的帶通調制方法：
        (1)調幅：載波的振幅隨基帶數字信號而變化；如 0 或 1 分別對應無載波或有載波輸出
        (2)調頻：載波的頻率隨基帶數字信號而變化；如 0 或 1 分別對應頻率 f1 或 f2
        (3)調相：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化；如 0 或 1 分別對應于相位 0 度或 180 度 

信道的極限容量

限制碼元在信道上傳輸速率的因素：
	  (1)信道能夠通過的頻率范圍：
	  		碼間串擾：信號中高頻分類受到衰減，在接收端收到的波形前沿和后沿不那么陡峭，每個碼元所占時間界限不明確，失去了碼元間的清晰界限的現象
       		奈氏準則：碼元傳輸的速率是受限的，不能任意提高，否則在接收端就無法正確判定碼元是1還是0（碼元間的相互干擾）
	  (2)信噪比：
	  		信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，記作 S/N  

信 噪 比 （ d B ） = 10 ? lg ? ( S / N ) 信噪比（dB）=10*\lg(S/N) 信噪比（dB）=10?lg(S/N)

香農公式：信道的極限資訊傳輸速率

C = W ? log ? 2 ( 1 + S / N ) ( b i t / s ) C=W*\log_2(1+S/N)(bit/s) C=W?log2?(1+S/N)(bit/s)

W 為信道帶寬（Hz）
S 為信道內所傳信號的平均功率
N 為信道內部的高斯噪聲功率
香農公式表明：信道的帶寬或信道中的信噪比越大，資訊的極限傳輸速率就越高
香農公式的意義：只要資訊傳輸速率低于信道的極限資訊傳輸速率，就一定存在某種辦法來實作無差錯的傳輸                             

物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體：是資料傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路
傳輸媒體的分類：
    引導型：電磁波被引導沿著固體媒體傳播（雙絞線、同軸電纜、光纖）
    非引導型：電磁波無線傳輸

信道復用技術

復用 (multiplexing) 是通信技術中的基本概念，它允許用戶使用一個共享信道進行通信，降低成本，提高利用率，

頻分復用、時分復用、統計時分復用

頻分復用

原理：用戶在分配到一定頻帶后，在通信程序中自始至終都占用這個頻帶
特點：所有用戶在同樣的時間占用不同的頻率帶寬
（最基本的復用）

時分復用

原理：將時間劃分為一段段等長的時分復用幀(TDM 幀)，每個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙
特點：所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度
（最基本的復用）

統計時分復用

原理：使用 STDM 幀來傳送復用的資料，每一個 STDM 幀中的時隙數小于連接在集中器上的用戶數；各用戶有資料就發往集中器的輸入快取，集中器按順序依次掃描輸入快取，把快取中的輸入資料放入 STDM 幀中，沒有資料的快取就跳過，當一個幀放滿即發送，因此 STDM 幀不是固定分配時隙，而是按需動態分配時隙

某用戶占用的時隙不是周期性出現的，因此統計時分復用又稱為異步時分復用；而時分復用又稱為同步時分復用

波分復用

   原理：就是光的頻分復用，使用同一根光纖同時傳輸多個光載波信號

碼分復用

碼分復用(碼分多址)：
	原理：各個用戶使用進過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會互相干擾
	碼片：每一個位元時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片
	作業方式：
		每個站被指派一個唯一的 mbit 碼片，若發送 1，則發送自己的 m bit 碼片
									若發送 0，則發送該碼片的二進制反碼
	碼片實作擴頻：由于一個位元可轉換成 m 個位元的碼片，因此實際發送資料率提高了 m 倍
	重要特點：每個站的碼片必須各不相同，并相互正交
	碼片正交關系：不同碼片正交，就是向量 S 和 T 的規格化內積為 0，（規格化內積即對應為相乘）
	正交關系的重要特征：任何碼片與自己的規格化內積為 1，與自己反碼的規格化內積為-1

數字的傳輸系統

（電話網的傳輸技術）
早期數字傳輸系統的缺點：
    (1)速率標準不一
    (2)不是同步傳輸
現代的傳輸網路的傳輸媒體：光纖
同步光纖網(SONET)：各級時鐘都來自一個非常精確的主時鐘，為光纖傳輸系統定義了同步傳輸的線路速率等級結構
同步數字系列(SDH)：由 sonet 為基礎發展的國際標準

PCM：脈沖編碼調制　　
　　長途干線大都采用時分復用 PCM 的數字傳輸 方式
　　多路復用的速率體系：
　　E1時分復用（歐洲）：8000*8*32=2.048 Mb/s
　　T1（北美和日本）：24*64kbps+8kbps的控制信號

寬帶接入技術

美國聯邦通信委員會FCC原來認為只要雙向速率之和超過200 kbit/s 就是寬帶，但 2015 年重新定義為：
    寬帶下行速率要達到 25 Mbit/s
    寬帶上行速率要達到 3 Mbit/s
從寬帶接入的媒體來看，可以劃分為兩大類：
    有線寬帶接入
    無線寬帶接入

ADSL技術

非對稱數字用戶線 ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) 技術就是用數字技術對現有的模擬電話用戶線進行改造，使它能夠承載寬帶業務，
	ADSL 的傳輸距離
         取決于資料率和用戶線的線徑（用戶線越細，信號傳輸時的衰減就越大），
         ADSL所能得到的最高資料傳輸速率與實際的用戶線上的信噪比密切相關，
    	 例如：0.5 毫米線徑的用戶線，傳輸速率為 1.5~2.0 Mbit/s 時可傳送5.5公里，但當傳輸速率提高到 6.1 Mbit/s 時，傳輸距離就縮短為 3.7 公里，
			 如果把用戶線的線徑減小到 0.4 毫米，那么在 6.1 Mbit/s 的傳輸速率下就只能傳送 2.7 公里，
	ADSL的特點
        上行和下行帶寬做成不對稱的，
        上行指從用戶到 ISP，而下行指從 ISP 到用戶，
        ADSL在用戶線（銅線）的兩端各安裝一個 ADSL 調制解調器，

光纖同軸混合網（HFC網）

是目前覆寫面較廣的有線電視網，采用模擬技術，頻分復用，主干部分使用光纖，入戶部分使用同軸電纜

FTTx 技術

是一種實作寬帶居民接入網的方案，代表多種寬帶光纖接入方式

無源光網路 PON

為有效利用光纖資源，在光纖干線和用戶之間使用無源光網路 PON，無源光網路無須配備電源，長期運行和管理成本低，
最流行的無源光網路是以太網無源光網路 EPON 和吉位元無源光網路 GPON

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索，

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