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2.1 物理層的基本概念

1. 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技術，

• 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位物理層規程（procedure），

2. 物理層的主要任務

物理層的主要任務：確定與傳輸媒體的介面有關的一些特性

• 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表示何種意義，
• 程序特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序，

2.2 資料通信的基礎知識

2.2.1 資料通信系統的模型

一個資料通信系統可劃分為三大部分，即源系統（或發送端、發送方）、傳輸系統（或傳輸網路）和目的系統（或接收端、接收方），

• 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，

2.2.2 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，例如，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（coding），
• 帶通調制：使用載波（carrier）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，

（1）常用的編碼方式

• 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，負邁沖代表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，

（2）基本的帶通調制方法

基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至 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，為了解決這一問題，就必須對基帶信號進行調制（modulation），

最基本的二元制調制方法有以下幾種：

• 調幅（AM）：載波的振幅隨基帶數字信號而變換，
• 調頻（FM）：載波的頻率隨基帶數字信號而變化，
• 調相（PM）：載波的初始相位隨基帶數字信號而變換，

2.2.3 信道的極限容量

• 任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號的程序會產生各種失真以及帶來多種干擾，
• 碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或傳輸媒體質量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重，

有失真，但可識別

失真大，無法識別

從概念上講，限制碼元在信道上的傳輸速率的因素有以下兩個：

• 信道能通過的頻率范圍
  • 具體的信道所能通過的頻率范圍總是有限的，信號中的許多高頻分量往往不能通過信道，
  • 1924年，奈奎斯特（Nyquist）就退匯出了著名的奈氏準則，他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值，
  • 在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的裁決（即識別）成為不可能，
  • 如果信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾，
    
    
• 信噪比

  • 噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中，

  • 噪聲是隨機產生的，它的瞬時值有時會很大，因此噪聲會使接收端對碼元的裁決產生錯誤，

  • 但噪聲的影響是相對的，如果信號相對較強，那么噪聲的影響就相對較小，

  • 信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比，常記為S/N，并用分貝（dB）作為度量單位，即：
    

  • 例如，當S/N = 10時，信噪比為10dB，而當S/N = 1000時，信噪比為 30 dB，

  • 1948年，香農（Shannon）用資訊論的理論退出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的資訊傳輸速率（香農公式），

  • 信道的極限資訊傳輸速率C可表達為：
    

香農公式表明

• 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則資訊的極限傳輸速率就越高，
• 只要資訊傳輸速率低于信道的極限資訊傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實作無差錯的傳輸，
• 若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限資訊傳輸速率C也就沒有上限，
• 實際信道上能夠達到的資訊傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少，

請注意

• 對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高資訊的傳輸速率，
• 這就是：用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多位元的資訊量，

2.3 物理層下面的傳輸媒體

• 傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，它就是資料傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路，
• 傳輸媒體可分為兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體，
• 在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿著固體媒體（銅線或光纖）傳播，
• 非導引型傳輸媒體就是指自由空間，在非導引型傳輸媒體中，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸，

2.3.1 導引型傳輸媒體

雙絞線介紹

• 最常用的傳輸媒體，
• 模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾到十幾公里，
• 屏蔽雙絞線 STP （Shielded Twisted Pair）
  • 帶金屬屏蔽層
• 無屏蔽雙絞線 UTP （Unshielded Twisted Pair）

雙絞線標準

• 1991年，美國電子工業歇會EIA和電信行業歇會聯合發布了一個用于室內傳送資料的無屏蔽雙絞線和屏蔽雙絞線的標準 EIA/TIA-568，
• 1995年將布線標準更新為EIA/TIA-568-A，
• 此標準規定了5個種類的UTP標準（從 1 類線到 5 類線），
• 對傳送資料來說，現在最常用的 UTP 是5類線（Category 5 或 CAT5），

光纜

• 光纜是光纖通信的傳輸媒體，
• 由于可見光的頻率系統的傳輸帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸媒體的帶寬，

當光線從高折射率的媒體射向低折射率的媒體時，其折射角將大于入射角，因此，如果入射角足夠大，就會出現全反射，光也就沿著光纖傳輸下去，

光纖的作業原理

只要從纖芯中射到纖芯表面的光線的入射角大于某個臨界角度，就可產生全反射，

多模光纖與單模光纖

多模光纖

可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸，這種光纖就稱為多模光纖，

單模光纖

若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射，這樣的光纖稱為單模光纖，

光纖通信中使用的光波的波段

• 常用的三個波段的中心分別位于850 nm，1300nm 和 1550 nm，
• 所有這三個波段都具有 25000 ~ 30000 GHz 的帶寬，可見光纖的通信容量非常大，

光纖優點

1. 通信容量非常大，
2. 傳輸損耗小，中繼距離長，
3. 抗雷電和電磁干擾性能好，
4. 無串音干擾，保密性好，
5. 體積小，重量輕，

2.3.2 非導引型傳輸媒體

• 將自由空間稱為“非導引性傳輸媒體”，
• 無線傳輸所使用的頻段很廣，
• 短波通信（即高頻通信）主要是靠電離層的反射，但短波信道的通信質量較差，傳輸速率低，
• 微波在空間主要是直線傳播，
• 傳統微波通信有兩種方式：
  • 地面微波接力通信
  • 衛星通信

2.4 信道復用技術

2.4.1 頻分復用、時分復用和統計時分復用

復用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，降低陳本，提高利用率，

復用是通過技術中的基本概念，
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 FDM

• 將整個帶寬分為多份，用戶在分配到一定的頻帶后，在通信程序中自始至終都占用這個頻帶，
• 頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是資料的發送速率），

時分復用 TDM

• 時分復用則是將時間規劃為一段段等長的時分復用幀（TMD 幀），每一個時分復用的用戶在每一個TDM幀中占用固定序號的時隙，
• 每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度），
• TDM信號也稱為等時（isochronous）信號，
• 時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度，

時分復用可能會造成線路資源的浪費

使用時分復用系統傳送計算機資料時，由于計算機資料的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的，

統計時分復用 STDM

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