第六章、物理層

物理層：指物理信道，不是具體的傳輸介質；定義了建立、維護和拆除物理鏈路的規范和標準，同時也定義了物理層介面通信的標準，物理層介面協議主要任務就是解決主機、作業站等資料終端設備與通信線路上通信設備之間的介面問題

一、資料通信基礎

資料通信基本概念

1、訊息：人類能夠感知的描述， 例如：眼睛看到的文字和影像；耳朵聽到聲音；鼻子聞到氣味等，

2、資訊：對事物狀態或存在方式的不確定性表述， 訊息中所包含的有意義的內容，訊息是資訊的載體

3、通信：在一點精確或近似地再生另一點的資訊，

4、通信系統：能夠實作通信功能的各種技術、設備和方法的總體，

5、信號：在通信系統中，資訊在傳輸通道中傳播的載體

6、資料（選擇） 對客觀事物的性質狀態以及相互關系等進行記載的符號及其組合，通常是數字、 文字、影像等，也可以是其他抽象的符號

7、信道（選擇） ：傳輸信號的媒介； 狹義信道：僅是指信號的傳輸介質， 廣義信道：不僅是傳輸介質，而且包括通信系統中的一些轉化裝置，

信道有三種狀態：

（1）傳輸狀態：一個通信站使用信道，其他站禁止使用；

（2）競爭狀態：所有通信站都有權嘗試對信道的使用權；

（3）空閑狀態：沒有通信站使用信道，

資料通信系統的構成

• 1、信源：將訊息轉換為信號的設備，
• 2、發送設備：將信源產生的信號進行適當變換的裝置，主要包括編碼和調制，
• 3、信道：傳輸信號的媒介，
• 4、接收設備：完成發送設備的反變換，即進行譯碼和解調，
• 5、信宿：信號的終點，將信號轉換為供人們識別的訊息，
• 6、噪聲源：自然界和通信設備所固有的，對通信信號產生干擾和影響的各種信號

模擬通信：模擬信號，信號的因變數完全隨連續訊息的變化而變化的信號， 自變數：可以連續的，可以離散的， 因變數：一定連續的，

數字通信：數字信號， 自變數：離散的， 因變數：離散的

資料通信方式：

• 1、資料傳輸方向：單向通信（例如：無線電廣播）、雙向交替通信(半雙工，例如無線對講機系統)和雙向同時通信(全雙工)
• 2、資料傳輸時空順序：并行通信和串行通信
• 3、資料同步技術： 異步通信：發送字符，不需建立同步時鐘，實作簡單，適用低速網路 ；同步通信：發送資料塊，雙方建立同步時鐘，實作復雜，適用高速網路，

資料通信系統的功能

• 1、信道的利用；
• 2、介面及信號產生；
• 3、同步；
• 4、差錯檢測與糾正；
• 5、尋址與路由；
• 6、網路管理；
• 7、安全保證；

二、物理介質

================導引型傳輸介質====================

導引型傳輸介質：有線信道；以導線為傳輸介質，信號沿導線進行傳輸，信號的能量集中在導線附近，因此傳輸 效率高，但是部署不夠靈活 ；分類：架空明線 、雙絞線 、同軸電纜 、光纖

架空明線：優點：傳輸損耗較低 ； 缺點：易受天氣和外界電磁干擾，對外界噪聲敏 感，帶寬有限，

雙絞線：將兩根相互絕緣的銅線并排絞合在一起；1、分類： 屏蔽雙絞線（ STP ）：性能好，價格高，安裝工藝復雜，2、 非屏蔽雙絞線（UTP）：使用更普遍

 同軸電纜：對外界干擾具有較好的屏蔽作用，具有較好的抗電磁干擾性能，目前多用于 有線電視網路，

 光纖：基本原理是利用了光的全反射現象，

優點： 

• 光纖通信容量非常大，最高可達100 Gbit/s，
• 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟，
• 抗雷電和電磁干擾性能好，
• 無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取資料，
• 體積小，重量輕，

光纖分類：

• 1、根據光纖的折射率是否突變分為：階躍（折射率）型光纖和梯度（折射率）型光纖，突變是階躍型光纖，
• 2、按照光纖內光波傳輸模式的不同：多模光纖和單模光纖

===========非導引型傳輸媒介===============

非導引型傳輸媒介：無線信道

電磁波在自由空間的傳播

 三、信道與信道容量

信道 通信系統中連接發送端與接收端的通信設備，實作從發送端到接收端的信號傳送；

分為廣義信道和狹義信道， 狹義信道：信號傳輸介質 ；廣義信道：包括信號傳輸介質和通信系統的一些變換裝置，

==========廣義信道的分類與組成================

 編碼信道：數字信號由編碼器輸出端傳輸到譯碼器輸入端經過的部分；數字信道，編碼信道可分為無記憶編碼信道和有記憶編碼信道，

 調制信道：指信號從調制器的輸出端傳輸到解調器的輸入端經過的部分，模擬信道

================信道傳輸特性==============

不同型別的信道對信號的影響差異較大：

• 隨機引數信道(隨參信道)：信號通過信道發生畸變是時變的，
• 恒定引數信道(恒參信道)：信號通過信道發生畸變和時間無關

隨參信道傳輸特性：大部分無線信道(依靠地波和天波傳播的無線電信道)

• 1、信號的傳輸衰減隨時間隨機變化
• 2、信號的傳輸時延隨時間隨機變化
• 3、存在多徑傳播現象

恒參信道傳輸特性：各種有線信道和部分無線信道(微波視線傳播鏈路)

• 1、對信號幅值產生固定的衰減
• 2、對信號輸出產生固定的時延

==============信道容量==============

信道容量：信道無差錯傳輸資訊的最大平均資訊速率，衡量信道的傳輸能力

1、信道的帶寬是指能夠有效通過該信道的信號的最大頻帶寬度 用碼元速率(或符號速率)描述，單位是Baud

2、傳輸速率是信道單位時間內傳輸的碼元(或符號)或資訊的能力 用傳信率(或資訊速率)來描述，單位是bit/s

 四、基帶傳輸

模擬信源：電話

數字信源：電腦

基帶信號：信源發出的沒有經過調制的原始信號，

數字信號在數字通信系統中的傳輸方式：基帶傳輸、頻帶傳輸

數字基帶傳輸：在信道中傳輸數字基帶信號；實作數字基帶傳輸的系統稱為數字基帶傳輸系統，

基帶傳輸：直接在信道傳送基帶信號；實作基帶傳輸的系統稱為基帶傳輸系統

在數字基帶傳輸系統中，信號形成器的作用就是把原始的數字基帶信號變換為適合信道傳輸特性的數字基帶信號， 

數字基帶傳輸編碼

 將資料映射為脈沖信號的信號碼（數字基帶信號碼型）：

• 1、單極不歸零碼
• 2、雙極不歸零碼
• 3、單極歸零碼
• 4、雙極歸零碼
• 5、差分碼(相對碼)

 將數字基帶信號的基本碼型變換為適合傳輸的數字傳輸基帶傳輸碼型： AMI碼；雙相碼；米勒碼；CMI碼；nBmB碼； nBmT碼；

五、頻帶傳輸

• 基帶信號，具有低通特性，可以用在低通特性的信道(有線信道)中進行傳輸， 無線信道，是帶通特性，因此只能利用基帶信號去調制不對應信道傳輸特性相 匹配的載波信號
• 數字調制：利用數字基帶信號控制載波信號的特征參量，使載波信號的這些參量的變化反映數字基帶信號的資訊，進而將數字基帶信號變換為數字通帶信號的程序，
• 數字解調：在接收資料端需要將調制到載波信號中的數字基帶信號卸載下來，還原為 數字基帶信號的程序，
• 數字頻帶傳輸系統：實作調制、傳輸與解調的傳輸系統，

 幅值：最高點到x軸的距離，或者最低點到x軸的距離

頻率：

相位：波在x軸平移

1、數字調制的基本方法

利用數字基帶信號控制載波信號的某個(或某些)引數的變化， （利用0或1控制載波的幅值、頻率或相位，）

幅移鍵控(ASK)：調制載波的幅值

頻移鍵控(FSK)：調制載波的頻率

相移鍵控(PSK)：調制載波的相位

2、頻帶傳輸中三種調制方式

• 一、二進制數字調制：數字通信系統頻帶傳輸的基本斱式
• 二、多迚制數字調制
• 三、正交幅值調制

=============二進制數字調制==========

1、二進制幅移鍵控（2ASK）: 利用二進制基帶信號控制載波信號的幅值變化，

基帶編碼 編碼資訊為0時：調制后為一段幅值為0的載波信號，

基帶編碼 編碼資訊為1時：調制后為一段幅值為A的載波信號

二進制頻移鍵控（2FSK）： 利用二進制基帶信號控制載波信號的頻率變化，

基帶編碼 編碼資訊為0時：調制后為一段頻率為f1的載波信號，

基帶編碼 編碼資訊為1時：調制后為一段頻率為f2的載波信號

 3、二進制相移鍵控（2PSK）： 利用二進制基帶信號控制載波信號的相位變化，

基帶編碼 編碼資訊為0時：調制后為一段相位為φ1的載波信號，

基帶編碼 編碼資訊為1時：調制后為一段相位為φ2的載波信號，

 二進制差分相移鍵控（2DPSK）： 利用相鄰兩個碼元載波間的相對相位變化表示數字基帶信號的數字資訊，

 二進制數字調制性能：

• 頻帶利用率：頻移鍵控最低，
• 誤碼率：相移鍵控誤碼率最低；幅移鍵控誤碼率最高，
• 對信道特性的敏感性：幅移鍵控最敏感

================多進制數字調制==============

 ===============正交幅值調制==================

正交幅值調制QAM（幅值相位聯合鍵控（APK））

基本思想是：二維調制技術，對載波信號的幅值和相位同時迚行調制的聯 合調制技術，

優點：頻帶利用率高；抗噪聲能力強；調制解調系統簡單；

六、物理層介面規程

物理層主要任務

• 1、在傳輸介質上實作無結構位元流的傳輸，
• 2、規定資料終端設備(DTE)和資料通信設備(DCE)之間介面的相關特性， DTE ：Data Terminal Equipment     DCE： Data Communication Equipment

物理層介面特性：機械特性、 電氣特性、 功能特性、 規程特性

• 1、機械特性：指明通信物體間硬體連介面的機械特點， 例如：常用的電源插頭的尺寸，
• 2、電氣特性：規定了物理連接上，尋線的電氣連接及有關電路特性， 例如：信號的電平，
• 3、功能特性：指明物理介面各條信號線的用途等， 例如：資料信號線、控制信號線
• 4、規程特性：通信協議，指明利用介面傳輸位元流的全程序， 例如：事件執行順序， 

頻帶利用率：頻移鍵控最低， 誤碼率：相移鍵控誤碼率最低；幅移鍵控誤碼率最高， 對信道特性的敏感性：幅移鍵控最敏感

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