1行贪、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(jì)算機(jī)的傳輸媒體上傳輸數(shù)據(jù)比特流漾稀，而不是指具體的傳輸媒體。物理層的作用是盡可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異建瘫，使物理層上面的數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異崭捍，這樣就可使數(shù)據(jù)鏈路層只需要考慮如何完成本層的協(xié)議和服務(wù)，而不必考慮網(wǎng)絡(luò)具體的傳輸媒體和通信手段是什么暖混。

??物理層的協(xié)議也稱為物理層規(guī)程缕贡。

• 物理層的特性：

（1）機(jī)械特性

??指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數(shù)目和排列拣播、固定和鎖定裝置等晾咪。

（2）電氣特性

??指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍。

（3）功能特性

??指明在某條線上出現(xiàn)的某一電平的意義贮配。

（4）過程特性

??指明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

??數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)內(nèi)部多采用并行傳輸方式，但在通信線路上的傳輸方式一般都是串行傳輸季俩，即逐個(gè)比特按照事件順序傳輸棕兼。因此物理層還要完成傳輸方式的轉(zhuǎn)換。

2圆存、數(shù)據(jù)通信的基礎(chǔ)知識(shí)

（1）模型

??一個(gè)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)可劃分為三大部分叼旋，即源系統(tǒng)（或發(fā)送端、發(fā)送方）沦辙、傳輸系統(tǒng)（或傳輸網(wǎng)絡(luò)）和目的系統(tǒng)（或接收端夫植、接收方）。

• 源系統(tǒng)：包括源點(diǎn)油讯、發(fā)送器兩部分详民。

• 目的系統(tǒng)：包括接收器、終點(diǎn)兩部分陌兑。

（2）通信術(shù)語

消息：通信的目的是傳遞消息沈跨，如語音、文字兔综、圖像視頻饿凛。

數(shù)據(jù)：運(yùn)送消息的實(shí)體，使用特定方式表示的信息软驰，通常是有意義的符號(hào)序列涧窒。

信號(hào)：數(shù)據(jù)的電氣或電磁的表現(xiàn)。

• 模擬信號(hào)（或連續(xù)信號(hào)）—— 代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的碌宴。
• 數(shù)字信號(hào)（或離散信號(hào)）—— 代表消息的參數(shù)的取值是離散的杀狡。

碼元：代表不同離散數(shù)值的基本波形。

（3）信道中的基本概念

??信道不等同于電路贰镣，信道一般都是用來表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體呜象，一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。

① 三種基本通信交互方式

• 單向通信

??又稱為單工通信碑隆，即只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互恭陡。無線電廣播或有線電廣播以及電視廣播就屬于這種類型。

• 雙向交替通信

??又稱為半雙工通信上煤，即通信的雙方都可以發(fā)送信息休玩，但不能雙方同時(shí)發(fā)送（當(dāng)然也不能同時(shí)接收）。這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收，過一段時(shí)間后可以再反過來拴疤。

PS. 一般對(duì)講機(jī)屬于半雙工Ｓ啦俊！呐矾！

• 雙向同時(shí)通信

??又稱為全雙工通信苔埋，即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。

② 信號(hào)的分類與調(diào)制

a. 數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)

百度百科定義：

數(shù)字信號(hào)指自變量是離散的蜒犯、因變量也是離散的信號(hào)组橄，這種信號(hào)的自變量用整數(shù)表示，因變量用有限數(shù)字中的一個(gè)數(shù)字來表示罚随。

數(shù)字信號(hào)一般用方形脈沖來表示：

百度百科定義：

模擬信號(hào)是指用連續(xù)變化的物理量表示的信息玉工，其信號(hào)的幅度，或頻率淘菩，或相位隨時(shí)間作連續(xù)變化遵班，或在一段連續(xù)的時(shí)間間隔內(nèi)，其代表信息的特征量可以在任意瞬間呈現(xiàn)為任意數(shù)值的信號(hào)瞄勾。

b. 基帶信號(hào)與帶通信號(hào)

• 基帶信號(hào)

    來自信源的沒有經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)费奸，基帶信號(hào)就是發(fā)出的直接表達(dá)了要傳輸?shù)男畔⒌男盘?hào)，比如我們說話的聲波就是基帶信號(hào)进陡≡覆基帶信號(hào)可以是模擬信號(hào)，也可以是數(shù)字信號(hào)趾疚，由于頻率低缨历，在許多信道中無法傳輸，因此必須對(duì)其進(jìn)行調(diào)制糙麦。
  

• 帶通信號(hào)

    經(jīng)載波調(diào)制后的頻率較高的信號(hào)辛孵。
  
  
  
  
    調(diào)制方法有兩種：
  

• 基帶調(diào)制：調(diào)制后的信號(hào)仍是基帶信號(hào)，又稱為編碼

• 帶通調(diào)制：調(diào)制后的信號(hào)被轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)赡磅。

c. 常用的編碼方式

d. 基本帶通調(diào)制的方法

（4）調(diào)制技術(shù)

（5）信道帶寬

??對(duì)于模擬信道，信道帶寬 W = f2 - f1卧檐，f1 是信道能通過的最低頻率墓懂，f2 是信道能通過的最高頻率，兩者都是由信道的物理特性決定的泄隔。

??數(shù)字信道時(shí)一種離散信道拒贱，它只能傳送取離散值的數(shù)字信號(hào)宛徊，信道的帶寬決定了信道中能不失真地傳輸脈沖序列的最高速率佛嬉。

（6）數(shù)字信道的極限傳輸速率

一個(gè)數(shù)字脈沖稱為一個(gè)碼元，用碼元速率表示單位時(shí)間內(nèi)信號(hào)波形的變換次數(shù)闸天，即單位時(shí)間內(nèi)通過信道傳輸?shù)拇a元個(gè)數(shù)暖呕。若信號(hào)碼元的寬度為 T 秒，則碼元速率 B = 1/T苞氮，單位為波特（Baud）湾揽，所以碼元速率也叫波特率。

① 奈奎斯特定理

有限帶寬無噪聲信道的極限碼元速率為：

????B = 2W（Baud） // W 為信道帶寬

一個(gè)碼元所帶的位數(shù)是由碼元所取的離散值種類所決定的笼吟，存在如下關(guān)系：

????n = log₂^N // n 為碼元所帶位數(shù)库物，N 為碼元種類數(shù)

根據(jù)上述兩個(gè)公式，可以計(jì)算出理想無噪聲狀況下贷帮，信道的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為：

????R = B log₂^N = 2W log₂^N

【解析】W為帶寬戚揭，單位Hz,n為幾種碼元，即碼元的離散電平數(shù)目撵枢，即有n種碼元波形民晒。

【例題】在無噪聲情況下，若某通信鏈路的帶寬為 6kHz 锄禽，若采用 4 個(gè)相位潜必，每個(gè)相位具有 4 種振幅的 QAM 調(diào)制技術(shù)，那么該通信鏈路的最大數(shù)據(jù)傳輸速率變?yōu)椋?）
C = 2 * 6k * ㏒?4*4 = 48 kbps

② 香農(nóng)定理

有限帶寬有噪聲信道的極限數(shù)據(jù)速率：

????C = W log₂(1+S/N)

【解析】W 為信道帶寬沃但，S 為信號(hào)的平均功率磁滚，N 為噪聲的平均功率，S/N 叫作信噪比宵晚，在實(shí)際使用中 S 與 N 的比值太大垂攘，故常取其分貝數(shù)（dB），分貝與信噪比的關(guān)系為：

????dB = 10 log10(S/N)

3坝疼、物理層下的傳輸媒體

（1）導(dǎo)引型

• 雙絞線： 最大傳輸距離為 100m搜贤，便宜。
• 同軸電纜：一般用在總線型網(wǎng)絡(luò)钝凶，為了解決沖突一般用 CSMA/CD 協(xié)議協(xié)調(diào)多個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)仪芒。
• 光纖：帶寬大唁影，抗干擾性強(qiáng)，重量輕掂名，注意單模光纖比多模光纖要牛逼据沈，傳輸更遠(yuǎn)。

（2）非導(dǎo)引型

• 短波：電離層反射
• 微波：穿透電離層饺蔑，衛(wèi)星通信
• 紅外線锌介、激光。

4猾警、信道復(fù)用技術(shù)

（1）頻分復(fù)用 FDM

??頻分復(fù)用 FDM（Frequency Division Multiplexing）的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬（頻率帶寬）資源孔祸，用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶发皿。

（2）時(shí)分復(fù)用 TDM

??時(shí)分復(fù)用 TDM（Time Division Multiplexing）是將時(shí)間劃分為一段段等長的時(shí)分復(fù)用幀崔慧。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。

??統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM（Statistic TDM）

（3）波分復(fù)用 WDM

??波分復(fù)用 WDM（Wavelength Division Multiplexing） 就是光的頻分復(fù)用穴墅。

（4）碼分復(fù)用 CDM

??碼分復(fù)用 CDM（Code Division Multiplexing） ：在相同的時(shí)間使用相同的頻帶進(jìn)行通信惶室。

??在 CDMA（碼分多址：Code Division Multiplexing Access） 中，每一個(gè)比特時(shí)間被劃分為 m 個(gè)短的間隔玄货，稱為碼片（chip）皇钞。使用 CDMA 的每個(gè)站被指派一個(gè)唯一的 m bit 碼片序列（chip sequence），發(fā)送比特 1 使用 m bit 碼片序列松捉，發(fā)送比特 0 使用碼片序列的反碼夹界。

??CDMA 系統(tǒng)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是這種體制給每一個(gè)站分配的碼片序列不僅必須各不相同，并且還必須互相正交惩坑。

5掉盅、寬帶接入技術(shù)

（1）ADSL

??非對(duì)稱數(shù)字用戶線 ADSL（Asymmetric Digital Subscriber Line）技術(shù)是用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶數(shù)字業(yè)務(wù)以舒。

（2）光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)）

??光纖同軸混合網(wǎng)（HFC 網(wǎng)趾痘，Hybrid Fiber Coax）是在目前覆蓋面很廣的有線電視網(wǎng)的基礎(chǔ)上開發(fā)的一種居民寬帶接入網(wǎng)。

【習(xí)題】

01 物理層要解決哪些問題蔓钟？物理層的主要特點(diǎn)是什么永票？

物理層要解決的主要問題：

（1）物理層要盡可能地屏蔽掉物理設(shè)備和傳輸媒體、通信手段的不同滥沫，使數(shù)據(jù)鏈路層感覺不到這些差異侣集，只考慮本層的協(xié)議和服務(wù)
（2）給其服務(wù)用戶（數(shù)據(jù)鏈路層）在一條物理的傳輸媒體上傳送和接收比特流的能力，為此兰绣，物理層應(yīng)該解決物理連接的建立世分、維持和釋放問題
（3）在兩個(gè)相鄰系統(tǒng)之間唯一地標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)電路

物理層的主要特點(diǎn)：
（1）由于在 OSI 之前，許多物理規(guī)程和協(xié)議已經(jīng)制定出來了缀辩，而且在數(shù)據(jù)通信領(lǐng)域中臭埋，這些物理規(guī)程已被許多商品化的設(shè)備所采用踪央，加之，物理層協(xié)議涉及的范圍廣泛瓢阴，所以至今沒有按 OSI 的抽象模型制定一套新的物理層協(xié)議畅蹂，而是沿用已存在的物理規(guī)程，將物理層確定為描述與傳輸媒體

02 規(guī)程和協(xié)議有什么區(qū)別荣恐？

規(guī)程專指物理層協(xié)議

03 試給出數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的模型并說明其主要組成構(gòu)件的作用

【源點(diǎn)】源點(diǎn)設(shè)備產(chǎn)生要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)液斜，又稱為源站。
【發(fā)送器】通常源點(diǎn)生成的數(shù)據(jù)要通過發(fā)送器編碼后才能再傳輸系統(tǒng)中進(jìn)行傳輸叠穆。
【接收器】接收傳輸系統(tǒng)傳送過來的信號(hào)少漆，并將其轉(zhuǎn)換為能夠被目的設(shè)備處理的信息。
【終點(diǎn)】終點(diǎn)設(shè)備從接收器獲取傳送過來的信息痹束，又稱為目的站检疫。
【傳輸系統(tǒng)】信號(hào)物理通道。

04 試解釋以下名詞：數(shù)據(jù)祷嘶，信號(hào)，模擬數(shù)據(jù)夺溢，模擬信號(hào)论巍，基帶信號(hào)，帶通信號(hào)风响，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)嘉汰，數(shù)字信號(hào)，碼元状勤，單工通信鞋怀，半雙工通信，全雙工通信持搜，串行傳輸密似，并行傳輸。

【數(shù)據(jù)】運(yùn)送信息的實(shí)體葫盼。
【信號(hào)】數(shù)據(jù)的電氣或電磁表現(xiàn)残腌。
【模擬數(shù)據(jù)】運(yùn)行信息的模擬信號(hào)。
【模擬信號(hào)】連續(xù)變化的信號(hào)贫导。
【基帶信號(hào)】來自信源的信號(hào)抛猫。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。
【帶通信號(hào)】經(jīng)載波調(diào)制后的頻率較高的模擬信號(hào)孩灯。
【數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)】取值為不連續(xù)數(shù)值的數(shù)據(jù)闺金。
【數(shù)字信號(hào)】取值為有限的幾個(gè)離散值的信號(hào)。
【碼元】在使用時(shí)間域的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)峰档，代表不同離散數(shù)值的基本波形败匹。
【單工通信】即只有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互匣距。
【半雙工通信】即通信和雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送（當(dāng)然也不能同時(shí)接收）哎壳，這種通信方式是一方發(fā)送另一方接收毅待，過一段時(shí)間再反過來。
【全雙工通信】即通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息归榕。

05 物理層的接口有哪幾方面的特性尸红？各包含些什么內(nèi)容？

（1）機(jī)械特性：指明接口所用的接線器的形狀和尺寸刹泄、引線數(shù)目和排列外里、固定和鎖定裝置等。
（2）電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現(xiàn)的電壓的范圍特石。
（3）功能特性：指明某條線上出現(xiàn)的某一電平的電壓表示何意盅蝗。
（4）規(guī)程特性：說明對(duì)于不同功能的各種可能事件的出現(xiàn)順序。

06 數(shù)據(jù)在信道中的傳輸速率受哪些因素的限制姆蘸？信噪比能否任意提高墩莫？香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信中的意義是什么？“比特/秒” 和 “碼元/秒” 有何區(qū)別逞敷？

碼元傳輸速率受奈式準(zhǔn)則的限制狂秦，信息傳輸速率受香農(nóng)公式的限制。
香農(nóng)公式在數(shù)據(jù)通信中的意義是：只要信息傳輸速率低于信道的極限傳輸率推捐，就可實(shí)現(xiàn)無差傳輸裂问。
比特/s 是信息傳輸速率的單位，碼元傳輸速率也稱為調(diào)制速率牛柒、波形速率或符號(hào)速率堪簿，一個(gè)碼元不一定對(duì)應(yīng)一個(gè)比特。

07 假定某信道受奈式準(zhǔn)則限制的最高碼元速率為 20000 碼元/秒皮壁。如果采用振幅調(diào)制椭更，把碼元的振幅劃分為 16 個(gè)不同等級(jí)來傳送，那么可以獲得多高的數(shù)據(jù)率（bit/s）?

C = R * Log2^16 = 20000 b/s *4 = 80000 b/s

08 假定要用 3 kHz 帶寬的電話信道傳送 64 kbit/s 的數(shù)據(jù)（無差錯(cuò)傳輸）闪彼，試問這個(gè)信道應(yīng)具有多高的信噪比（分別用比值和分貝來表示）甜孤？這個(gè)結(jié)果說明什么問題？

由香農(nóng)公式：C = W ㏒?^(1+S/N) (bit/s)
W = 3kHz畏腕，C = 64 kbit/s缴川，得 S/N = 2^(64/3) - 1 
這是個(gè)對(duì)信噪比要求很高的信源

09 用香農(nóng)公式計(jì)算一下，假定信道帶寬為 3100 Hz描馅，最大信息傳輸速率為 35 kbit/s把夸，那么若想使最大信息傳輸速率增加 60%，問信噪比 S/N 應(yīng)增大到多少倍铭污？如果在剛才計(jì)算出的基礎(chǔ)上將信噪比 S/N 再增大到 10 倍恋日，問最大信息速率能夠再增加 20%膀篮？

由香農(nóng)公式可得，原信噪比為：2^(35000/3100) - 1 ≈ 2^11.3 -1 = 2520
信息傳輸速率增加 60%岂膳，則 S/N 應(yīng)增大到：2^(1.6*35000/3100) - 1 ≈ 2^18 -1 = 262143
所以 S/N 應(yīng)增大到原來的 262143/2530 = 104.025 倍
S/N 再增大10倍誓竿，則最大信息速率為 3100 * log2^2621430 
3100 * log2^2621430 / 1.6 * 35000 ≈ 18.5%

10 常用的傳輸媒體有哪幾種？各有何特點(diǎn)谈截？

導(dǎo)引型：雙絞線筷屡、屏蔽雙絞線、無屏蔽雙絞線簸喂、同軸電纜毙死、光纜
非導(dǎo)引型：短波通信、微波喻鳄、紅外扼倘、激光

11 假定有一種雙絞線的衰減是 0.7 dB/km（在 1 kHz 時(shí)），若容許有 20 dB 的衰減除呵，試問使用這種雙絞線的鏈路的工作距離有多長再菊？如果要使這種雙絞線的工作距離增大到 100 公里，問應(yīng)當(dāng)使衰減降低到多少竿奏？

工作距離  20 dB / 0.7 dB/km = 28.57 km
         20 dB / 100 km = 0.2 dB/km

12 為什么要使用信道復(fù)用技術(shù)袄简？常用的信道復(fù)用技術(shù)有哪些？

為了通過共享信道泛啸、最大限度提高信道利用率。
頻分秃症、時(shí)分候址、波分、碼分復(fù)用种柑。

13 碼分多址 CDMA 為什么可以使所有用戶在同樣的時(shí)間使用同樣的頻帶進(jìn)行通信而不會(huì)互相干擾岗仑？這種復(fù)用方法有何優(yōu)缺點(diǎn)？

各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的互相正交的不同碼型聚请，因此彼此不會(huì)造成干擾荠雕。
優(yōu)點(diǎn)：有很強(qiáng)的抗干擾能力，頻譜類似于白噪聲驶赏，不易被敵人發(fā)現(xiàn)炸卑。
缺點(diǎn)：占用較大的帶寬

14 共有四個(gè)站進(jìn)行碼分多址 CDMA 通信。四個(gè)站的碼片序列為：

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)

現(xiàn)收到這樣的碼片序列：(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)煤傍。問哪個(gè)站發(fā)送數(shù)據(jù)了盖文？發(fā)送數(shù)據(jù)的站發(fā)送的是 1 還是 0？

A: 正交相乘的值為 1-1+3+1-1+3+1+1 = 8蚯姆，所以 A 發(fā)送了數(shù)據(jù) 1
B: 1-1-3-1-1-3+1-1 = -8五续，B 發(fā)送了 0
C: 1+1+3+1-1-3-1-1 = 0洒敏，C 未發(fā)送數(shù)據(jù)
D: 1+1+3-1-1+3+1-1 = 8，D 發(fā)送了 1

15 試比較 ADSL疙驾、HFC 以及 FTTx 接入技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)凶伙。

【ADSL】
    用數(shù)字技術(shù)對(duì)現(xiàn)有的模擬電話用戶線進(jìn)行改造，使它能夠承載寬帶業(yè)務(wù)它碎，成本低函荣，易于實(shí)現(xiàn)，但帶寬和質(zhì)量差異性大链韭。
【HFC】
    具有很寬的頻帶偏竟，并且能夠利用已經(jīng)有相當(dāng)大的覆蓋面的有線電視網(wǎng)。要將現(xiàn)有的 450 MHz 單向傳輸?shù)挠芯€電視網(wǎng)絡(luò)改造為 750 MHz 雙向傳輸?shù)?HFC 網(wǎng)需要相當(dāng)?shù)馁Y金和時(shí)間敞峭。
【FTTx】
    可提供最好的帶寬和質(zhì)量踊谋，但現(xiàn)階段線路和工程成本太大。

16 為什么在 ADSL 技術(shù)中旋讹，在不到 1 MHz 的帶寬中卻可以使傳送速率高達(dá)每秒幾個(gè)兆比特殖蚕？

靠先進(jìn)的 DMT 編碼，頻分多載波并行傳輸沉迹，使每秒傳送一個(gè)碼元就相當(dāng)于每秒傳送多個(gè)比特睦疫。