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（一）通信基础

1、信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本基础概念
2、奈奎斯特定理与香农定理
3、编码与调制
4、数据报与虚电路

（二）传输介质

1、双绞线、同轴
2、物理层接口的特性

（3）物理层设备

1、中继器
2、集线器
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一、物理层基本概念

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性
机械特性——指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排序、固定和锁定装置等等
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
规程特性——指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

二、数据通信的基础知识

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）

源点（source）：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源
发送器：通常，源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC·使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC外面看不见调制调解器
接收器：接受传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是调解器，它把来自传输线路上的模拟信号进行调解，提取出在发送端置入的消息，还原发出端产生的数字比特流
终点（destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出，（例如，把汉字在PC屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或信宿

1、基本概念

数据（data）——运送信息的实体
信号（signal）——数据的电气的或电磁的表现
“模拟的”（analogous）——连续变化的
“数字的”（digital）——取值是离散数值
调制——把数字信号转换为模拟信号的过程
调解——把模拟信号转换为数字信号的过程
模拟和数据的数字和信号

注：这里的PCM编码器相当于调解器

2、有关信道的基本概念

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
基带信号就是将数字信号1或0直接用两种不同的电压来表示，然后送到线路上去传输
宽带信号则是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号
调制
来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。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

（1）基带调制

调制可分为两大类。一类是仅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。这类调制称为基带调制。这种过程称为编码（coding）
基带调制方式
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代表0，位周期中心向下跳代表1，但也可反过来定义
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1

（2）带通调制

另一类调制则需要使用载波（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号信道中传输。经过载波调制后的信号成为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
带通调制方法
调幅（AM），即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），即载波的频率随即带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2
调相（PM），即载波的初始相位随即带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位的0度或180度

码元传输率
任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重

（3）信道的极限容量

信噪比
噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，并用分贝（dB）作为度量单位
信噪比（dB）=10 lg（S/N）（dB）
香农公式
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
信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C=Wlog2（1+S/N） b/s
W为信道带宽（以Hz为单位）
S为信道内所传出信号的功率
N为信道内部的高斯噪声功率
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方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
提高数据传输速率的方法
把基带信号由二进制转化为八进制或十六进制

三、物理层下的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，他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性传输媒体和非导引性传输媒体

1、导引性传输媒体

导引型传输媒体包括双绞线、同轴电缆和光缆
双绞线
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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（加中继器调整）
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

光缆
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信

光缆的工作原理

（1）非导引型传输媒体

非导引型传输媒体用无线电波在自由空间的传播就可较快地实现多种的通信。无线传输所使用的频段很广

①短波通信

短波通信（即高频通信），主要是靠电离层的反射。但电离层的不稳定所产生的衰落现象的电离层反射所产生的多径效应，使得短波通道的通信质量较差

②微波通信

微波的频率范围为300 MHz~300 GHz（波长1 m~10 m），但主要是使用2~40 GHz的频率范围。微波在空间主要是直线传播

四、信道复用技术

1、频分复用、时分复用和统计时分复用

（1）频分复用

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。看见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源

（2）时分复用

用户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
在时分复用帧中分配给该用户的时隙只能处于空闲状态，其他用户即使一直有数据要发送，也不能使用这些空闲的时隙。这就导致复用后的信道利用率不高

（3）统计时分复用

不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。在每个时隙中还必须有用户的地址信息，这是统计时分复用必须要有的和不可避免的一些开销

2、波分复用

波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）就是光的频分复用

3、码分复用（CDMA）

个用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。这种系统发送的信号有很强的干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被人发现
每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）
码片序列
每个站被指派唯一的mbit码片序列
如发送比特1，则发送自己的mbit码片序列。
如发送比特0，则发送码片序列的二进制反码
*例如，S站的8bit码片序列是00011011
发送比特1时，就发送序列00011011
发送比特0时，就发送序列11100100
S站的码片序列：（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）
码片序列特性

（1）互相正相交

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交（orthogonal）
令向量S表示站S的码片向量，令T表示其他任何站的码片向量。两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积都是0：
令向量S为（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）
向量T为（-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1）

（2）内积为1/-1

任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1.一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是-1

工作原理

五、数字传输系统

旧的数字传输系统存在着许多缺点。其中最主要的是以下两方面：
速率标准不统一
如果对高次群的数字传输速率进行标准化，国际范围的高速数据传输就很难实现
不是同步传输
在过去相当长的时间，为了节约经费，各国的数字网主要是采用准同步方式
为了解决上述问题，美国在1988年首先推出了一个数字传输标准，叫做同步光纤网