1 基本概念

2 數據通信的基本知識

3 常用編碼形式

4 信道複用技術

2.1 基本概念

首先要知道的是，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數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。因為現在的計算機網絡中的硬件設備和傳輸媒體的種類非常的多。而物理層的作用就是要盡可能地屏蔽掉這些不同的差異，從而使得物理層上面的數據鍊路層感覺不到這些差異，這樣就可以讓數據鍊路層“安心”的完成自己的本職工作而不必考慮網絡的具體傳輸媒體和通信手段是什麼。

物理層的主要任務描述為确定與傳輸媒體接口有關的一些特性，即以下幾個方面：

（1）機械特性：指明接口所用的接線器的形狀與尺寸，引腳數目和排列，固定和鎖定裝置等等

（2）電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的範圍。

（3）功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。

（4）過程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序。

數據在計算機中多采用并行傳輸的方式。但數據在通信線路（傳輸媒體）的傳輸方式一般是串行傳輸，即逐個比特按照時間順序傳輸，因此物理層還要完成傳輸方式的轉換。

2.2 數據通信的基本知識

因為物理連接的方式有很多，所以具體的物理協議的種類也有很多，從而傳輸媒體的種類也是非常之多，所以在介紹物理層時，我們應該先對“接口與通信”有一定的了解。

2.2.1數據通信系統的模型

一個通信系統可以劃分為三大部分，即源系統，傳輸系統和目的系統。

首先介紹源系統，源系統一般包括以下兩個部分：

源點：源點設備産生要傳輸的數據，例如從計算機的鍵盤輸入漢字，計算機産生輸出的數字比特流。源點又稱為源站或者信源。

發送器：通常源點生成的數字比特流要通過發送器編碼後才能夠在傳輸系統中進行傳輸。最典型的發送器就是調制器，現在的很多計算器使用的都是内置的解調器（包括調制器和解調器）。

目的系統一般也包括以下兩個部分：

接收器：接收傳輸系統傳送過來的信号，并把它轉換為能夠被目的設備處理的信息。典型的接收器就是解調器，

終點：終點設備從接收器獲取傳送來的數字比特流，然後把信息輸出。終點又稱為目的站或者信宿。

在源系統和目的系統之間的傳輸系統可以是簡單的傳輸線，也可以是連接在源系統和目的系統之間的複雜網絡系統。

然後我們要來辨别一下下面的常用術語：

1 消息：指語音，文字，圖像等等。

2 數據：指使用特定方式表示的信息，通常是有意義的符号序列。這種信息的表示可用計算機或其他機器處理或者産生。

3 信号：指數據的電氣或電磁的表現。

根據信号中代表消息的參數的取值方式不同，信号可以分為以下兩大類：

（1）模拟信号：代表消息的參數的取值是連續的。

（2）數字信号：代表消息的參數的取值是離散的。

2.2.2 調制

基帶信号：來自信源的信号。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信号都屬于基帶信号。基帶信 号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。因此必須對基帶信号進行調制 (modulation)。

下圖為帶通調制，使用載波 (carrier)進行調制，把基帶信号的頻率範圍搬移到較高的頻段，并轉換為模拟信号。

除了帶通調制，還有一種調至類型為基帶調制，它僅對基帶信号的波形進行變換，使它能夠與信道特性相适應。變換後的信号仍然是基帶信号。把這種過程稱為編碼 (coding)。

2.2.3 信道

信道能夠通過的頻率範圍

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，使接收端對碼元的判決（即識别）成為不可能。1924年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推導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。

信噪比

信噪比就是信号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。1984年，香農 (Shannon) 用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲幹擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率（香農公式）。

由香農公式可知，信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限

傳輸速率就越高。隻要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。

2.3 常用編碼形式

1)單極性不歸零碼：無電壓表示"0"，恒定正電壓表示"1"，每個碼元時間的中間點是采樣時間，判決門限為半幅電平。

2)雙極性不歸零碼："1"碼和"0"碼都有電流，"1"為正電流，"0"為負電流，正和負的幅度相等，判決門限為零電平。

3)單極性歸零碼：在這種編碼中，在每一碼元時間間隔内，有一半的時間發出正電流，而另一半時間則不發出電流表示二進制數“1”。整個碼元時間間隔内無電流發出表示二進制數“0”。

4)雙極性歸零碼：在這種編碼中，在每一碼元時間間隔内，當發“1”時，發出正向窄脈沖；當發“0”時，則發出負向窄脈沖。兩個碼元的時間間隔可以大于每一個窄脈沖的寬度，取樣時間是對準脈沖的中心。

5)曼徹斯特編碼：在曼徹斯特編碼中，每個二進制位(碼元)的中間都有電壓跳變。用電壓的正跳變表示“0”，電壓的負跳變表示“1”。由于跳變都發生在每一個碼元的中間位置(半個周期)，接收端可以方便地利用它作為同步時鐘，因此這種曼徹斯特編碼又稱為“自同步曼徹斯特編碼”。

歸零碼和不歸零碼、單極性碼和雙極性碼以及曼徹斯特編碼的特點：

不歸零碼：在傳輸中難以确定一位的結束和另一位的開始，需要用某種方法使發送器和接收器之間進行定時或同步；

歸零碼：脈沖較窄，根據脈沖寬度與傳輸頻帶寬度成反比的關系，因而歸零碼在信道上占用的頻帶較寬。

單極性碼：會積累直流分量，這樣就不能使變壓器在數據通信設備和所處環境之間提供良好絕緣的交流耦合，直流分量還會損壞連接點的表面電鍍層；

雙極性碼：直流分量大大減少，這對數據傳輸是很有利的。

曼徹斯特編碼：雙極性不歸零碼中，如果0和1出現的概率相同，正負電壓正好抵消無直流分量，因而對傳輸有利且有較強的抗幹擾能力。

2.4 信道複用技術

複用 (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。

頻分複用（FDM）

頻分複用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這裡的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。

時分複用（TDM）

時分複用則是将時間劃分為一段段等長的時分複用幀（TDM 幀）。每一個時分複用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序号的時隙。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 信号也稱為等時(isochronous)信号。時分複用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

統計時分複用（Statistic TDM）

STDM 幀不是固定分配時隙，而是按需動态地分配時隙。因此統計時分複用可以提高線路的利用率。

波分複用（WDM）

波分複用就是光的頻分複用。使用一根光纖來同時傳輸多個光載波信号。

碼分複用（CDM）亦稱為碼分多址（CDMA）

每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)。每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。

如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。

每個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 (orthogonal)。

因此，站點接收信号時有三種情況:

1、發送端與接收端為兩個不同的站點；由于兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化内積 (inner product) 等于 0：

2、接收端接收到比特“1”碼片向量和該碼片向量自己的規格化内積都是 1：

3、接收端接收到比特“0”碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化内積是 –1：

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