第二章 物理层
物理层的基本概念
1.物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
2.物理层的主要任务为确定传输媒体的接口的特性，即：
机械特性：例接口形状、大小、引线
电气特性：例规定电压范围（-5V 5V）
功能特性：例规定-5V表示0 5V表示1
过程特性：也称规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤
数据通信的基础知识
典型的数据通信模型
相关术语
数据(data)--运送消息的实体
信号(signal)--数据的电气或电磁的表现
“模拟信号“--代表消息的参数的取值时连续的
“数字信号”--代表消息的参数的取值是离散的
码元(code)--在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就成为码元
在数字通信中常常使用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元，这个间隔长度被称为码元长度，1码元可以携带nbit的信息量
有关信道的基本概念
信道一般表示向一个方向传送信息的媒体
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、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
基带信号和带通信号
基带(baseband)信号--基本频带信号，来自信源的信号
带通(bandpass)信号--把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输。因为在近距离范围内基带信号衰减不大，信号内容不会发生变化。
调制方法：
数字信号常用编码
每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从低到高跳变表示“1”，从高到低跳变表示“0”，可以表示没有数据传输。但需要采样两次数据传输速率只有调制速率的1/2
差分曼彻斯特编码：
优点：收发双方可以根据编码自带的时钟信号来保持同步，无需专门传递同步信号的线路，因此成本低
奈氏准则
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。
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
这里W是理想低通信道的带宽,单位为赫(Hz)
Baud是波特,是码元传输速率的单位,1波特为每秒传送1个码元.
上式就是著名的奈氏准则.奈氏准则的另一种表达方法是:每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。
“低通”即指低频通过，“理想低通信道”即指理想的能让部分低频率信号通过的信道（只要不要超过这个低频率信号范围都可无失真的通过）。
“理想的信道”指没有噪声的信道。
噪声，指因传输系统造成的各种失真，例如导体中电子的热振动、闪电引起脉冲错乱等。
香农公式
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的无差错的、极限信息传输速率
香农公式表明：
1.信道的带宽或信道中信噪比越大，则信息的极限传输速率越高
2.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方法来实现无差错的传输
3.若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（实际不存在），则信道的极限信息传输速率C就没有上限
奈氏准则与香农公式应用范围
物理层下面的传输媒体
导向传输媒体
导向传输媒体中，电磁波沿着固体媒体传播
双绞线：屏蔽双绞线 STP
无屏蔽双绞线 UTP
同轴电缆：50Ω同轴电缆 用于数字传输，由于多用于基带传输，也叫基带同轴电缆
75Ω同轴电缆 用于模拟传输，即宽带同轴电缆
光缆
直通线：T568B标准 白橙 橙 白绿 蓝 白蓝 绿 白棕 棕 两端线序相同且一一对应 10M或100M网络只用到1236四根线
用途：主机到交换机或集线器
路由器到交换机或集线器
交叉线：T568A标准 白绿 绿 白橙 蓝 白蓝 橙 白棕 棕 一端T568A一端T568B
用途：交换机到交换机 集线器到集线器 主机到主机
集线器到交换机 路由器直连到主机
非导向传输媒体
自由空间，其中的电磁波传输被称为无线传输
无线传输所使用的频段很广
短波通信主要靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差
微波在空间主要是直线传播 地面微波接力通信 卫星通信
集线器
在网络中只起到信号放大和重发作用，其目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号的定向传送能力
最大传输距离：100米
集线器是一个大的冲突域
不能识别MAC地址和IP地址，对接收到的数据以广播的形式发送，它的所有端口为一个冲突域同时也为一个广播域
信道复用技术
频分复用FDM
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
频分复用的用户在同样的时间占用不同的频带
时分复用TDM
将时间划分为一段段等长的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
每一个用户占用的时隙时周期性地出现 TDM信号也称为等时信号
时分复用的所有用户是在不同时间占用同样的频带宽度
时分复用可能会造成线路资源的浪费
统计时分复用STDM
波分复用WDM
波分复用就是光的频分复用
数字传输系统（广域网）
脉码调制PCM 体制最初是为了在电话局之间的中继线上传送多路电话，由于历史原因，PCM有两个互不兼容的国际标准，即北美的24路PCM（T1）和欧洲的30路PCM（E1）。我国采用的是欧洲的E1标准
E1的速率是2.048Mb/s T1的速率是1.544Mb/s
宽带接入技术
xDSL(用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造)
标准模拟电话信号的频带被限制在300~3400Hz的范围内，但用户线本身实际可通过的信号频率仍然超过1MHz
xDSL技术就把0~4Hz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用
DMT技术（离散多音调）
DMT调制技术采用频分复用的方法，把40kHz以上一直到1.1MHz的高端频谱划分为许多的子信道，其中25个子信道用于上行信道，249个子信道用于下行信道
每个子信道占据4kHz带宽，并使用不同的载波进行数字调制，这种做法相当于在一对用户线上使用许多小的调制解调器并行地传送数据
ADSL
数字用户线接入复用器DSLAM(DSL Access Multiplexer)
接入端接单元ATU(Access Termination Unit)
ATU-C(C代表Central Office)
ATU-R(R代表Remote)
电话分离器PS(POTS Splitter)
光纤同轴混合网HFC
在有线电视网CATV的基础上开发的一种居民宽带入网 每个家庭需要安装用户接口盒