计算机网络（谢希仁第八版）第二章：物理层

1.物理层基本概念

~~物理层协议又被称为规程~~
物理层协议数据单元==>==比特流==
特性（了解）：

（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：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
（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。

数据在计算机内部采用并行传输，在通信线路（传输媒体）采用串行传输

2.数据通信的基础知识

1.通信模型：

==源系统—>传输系统—>目的系统==

在这里插入图片描述

消息：文字、图像等，数据是运送消息的实体，是有意义的符号序列。
信号：数据的电气或电磁表现。

模拟信号（analogous signal）：（连续）
数字信号（digital signal）：（离散）

码元：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

2.信道

（1）单向通信（单工通信）：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。
（2）双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。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。
（3）双向同时通信（全双工通信）：通信的双方可以同时发送和接收信息。

（1）、常用编码方式：

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
曼彻斯特编码；位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。也可反过来定义。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变表0，位开始边界没有跳变表1。

（2）、基本的带通调制方法
调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

3.信道的极限容量
==信噪比==：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N
单位为分贝时：

==奈氏准则==：
在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud。
```
   公式：理想低通信道下的极限数据传输率=2W（b/s）     
```
W为信道带宽（Hz）。

==香农公式==：
信道的极限信息传输速率

在这里插入图片描述

W为信道的带宽（以Hz为单位），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
3.物理层下面的传输媒体
1.导引型传输媒体（有线）

==双绞线==：
广泛用于局域网内

1 2	> 屏蔽双绞线STP（Shielded Twisted Pair） > 无屏蔽双绞线UTP（Unshielded Twisted Pair）

==同轴电缆==：
主要用在有线电视网的居民小区
==光缆（光纤）==：
远距离传输

（1）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
（2）抗雷电和电磁干扰性能好。
（3）无串音干扰，保密性好，不易被窃听或截取数据。
（4）体积小，重量轻。

2.非导引型传输媒体（无线）

移动通信

4.信道复用技术

1.频分复用、时分复用和统计时分复用

复用器和分用器：=>
在这里插入图片描述
==频分复用==FDM（Frequency Division Multiplexing）最简单，如下图（a）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。频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）。在这里插入图片描述
==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（TDM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。如下图（b）。
【—>】但时分复用面临着信道资源浪费的问题：在这里插入图片描述
于是就有了现在的==统计时分复用==STDM（Statistic TDM）是一种改进的时分复用，它能明显地提高信道的利用率。如下图的动态分配时隙，每一个STDM帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。
在这里插入图片描述

此TDM帧和STDM帧是在物理层传送的比特流中所划分的帧非数据链路层的“帧”

2.波分复用和码分复用
==波分复用==WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用，即使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。随着技术发展，一根光纤上复用的光载波信号的路数越来越多，就出现了密集波分复用DWDM（Dense Wavelength Division Multiplexing）

==码分复用==CDM（Code Division Multiplexing），实际上，人们更常用的名词是<码分多址>CDMA（Code Division Multiple Access）
两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积（inner product）都是==0==，向量S和各站码片反码的向量的内积也是==0==：

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是==1==：

码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是–1。从上式可以看出，因为求和的各项都变成了–1。
==>当两个码片向量内积的结果
= -1，发送0
= 0，不发送
= 1，发送1