文章目录
- 一，物理层基础概念
- 二，主要任务
- 三，数据通信基础
- 1.数据通信系统
- 源系统
- 目的系统
- 2.信道
- 信息交互方式
- 调制
- 3.奈氏准则
- 4.香农公式
- 四，物理层下面的传输媒体
- 1.导引型传输媒体
- 2.非导引型传输媒体
- 五，信道复用技术
- 1.频分复用
- 2.时分复用
- 3.波分复用
- 4.码分复用
一，物理层基础概念
物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
物理层的作用正是要尽可能的屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，是上面的数据链路层感受不到这些差异
用于物理层的协议也称为物理层规程
二，主要任务
物理层主要任务就是确定与传输媒体的接口有关的一些特性
- 机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
- 过程特性 ：指明对于不同功能的各种可能事件的出现
三，数据通信基础
1.数据通信系统
一个数据通信系统分为：
- 源系统（发送端，发送方）
- 传输系统（传输网络）
- 目的系统（接收方，接收端）
源系统
源系统一般包括：
- 源点：数据产生处
- 发送器：将源点产生的数字比特流编码（调制器）
目的系统
目的系统一般包括：
- 接收器：将传输系统的信号解码（解调器）
- 终点：接收接收器传过来的数字比特流
2.信道
信道一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。一条通信信道一般包含一条发送信道和一条接收信道
信息交互方式
- 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。
- 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)。
- 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。
调制
- 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。
- 带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。
- 带通信号 ：经过载波调制后的信号。
- 基带信号（即基本频带信号）—— 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
3.奈氏准则
1924年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
4.香农公式
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。即：
信噪比(dB) = 10 log10(S/N) (dB) 1984年，香农 (Shannon) 用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率（香农公式）。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为：
C = W log2(1+S/N) (bit/s) 其中：
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 推论：
- 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
- 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
- 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
- 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
四，物理层下面的传输媒体
传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
- 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
- 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
1.导引型传输媒体
双绞线
最常用的传输媒体。
模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。
eg：
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)带金属屏蔽层
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)
同轴电缆
同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。
光缆
光纤是光纤通信的传输媒体。
由于可见光的频率非常高，约为 108 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
2.非导引型传输媒体
将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
无线传输所使用的频段很广。
- 短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
-
微波在空间主要是直线传播。
传统微波通信有两种方式：
地面微波接力通信
卫星通信
五，信道复用技术
为提高信道利用率，可以使用如下信道复用技术：
- 频分复用、时分复用和统计时分复用
- 波分复用
- 码分复用
1.频分复用
频分复用就是每个用户分配到一定的频带后，通信时一直占据着自己的频带，即就是每个用户占用的是不同的带宽资源（这里的带宽资源指的是频率带宽而不是数据的发送速率）。所以说，这种方法就是将不同频率的数据合成在同一信道发送，在接收端再将其分开。合成示意图如下：
2.时分复用
时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧，再将每个帧划分等分给用户使用，每个时分复用的用户占用固定序号的时隙，每个用户所占的时隙是周期性地出现，其周期就是时分复用帧的长度，相比较频分复用，时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度。
由时分复用的概念可知，当某段时间内，时分复用的某个用户暂时无数据传输时，则会让分配到的子信道（从时分复用帧中分配的时间片）空闲，这样就会浪费线路资源，如下图：
为了弥补线路资源浪费的缺点，对时分复用进行了改进，产生了统计时分复用。如下图是统计时分复用的工作原理：
统计时分复用的每个帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数，每个用户有了数据后随时发送到集中器的输入缓存当中，集中器按顺序扫描输入缓存，将数据集中起来组成每个STDM帧，对于没有输入缓存的就略过，所以STDM帧并不是固定分配间隙，而是由集中器按顺序扫描之后将存在数据组成STDM帧然后发送出去。由于每个用户的时隙序列并不固定，所以在分用器上将数据分用时就需要别的数据帮助分用，那就是上图中帧中红色部分的开销，这部分数据放入地址（序号）顺序，帮助分用器分用数据。
3.波分复用
波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术