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第二章 物理层

考点

• 正交振幅调制QAM不会涉及太多考点
• 香农公式和奈氏准则需要知道是什么
• 传输媒体需要知道是什么
• 几个复用的方法、名字及原理需要知道，码分复用CDMA比较重要，可能会有计算
• ADSL需要知道是什么

1. 物理层概述及通信基础

1.1 物理层概述

物理层： 在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，确定与传输媒体接口有关的一些特性。

它包含四个特性，分别是机械特性、电气特性、功能特性和规程特性（巧记：械气功程）

1.2 通信基础

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为M进制码元。

码元传输速率（波特率），是单位时间内传输的码元个数，单位是波特Baud(B)。

消息： 通信的目的是传送消息，如语音、文字、图像、视频等。

数据： 数据是运送消息的实体。0/1

信号： 信号时数据的电气或电磁的表现。

信道： 表示向某一个方向传送信息的媒体。

• 单工通信：广播
• 半双工通信：对讲机
• 全双工通信：打电话

基带信号： 来自信源的信号。

• 编码（基带调制）：变成数字信号
• 带通调制：变成模拟信号（带通信号）

1.3 编码与调制

常用编码方式：

• 归零编码：高1低0，后半段归零
• 非归零编码：高1低0，后半段不归零
• 曼彻斯特编码：前高后低->1/0；前低后高->0/1
• 差分曼彻斯特编码：起始位置发生了跳变为0，不变为1

常用带通调制方式：

• 调幅（AM）
• 调频（FM）
• 调相（PM）

1.4 极限数据传输率

奈氏准则： 在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，极限码元传输速率为2WBaud，W是信道带宽，单位是Hz，V是每个码元离散电平的数目（即有多少种码元）。

理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog₂V（b/s）

香农定理： 在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

信道的极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N)（b/s）

信噪比（dB）=10log₁₀(S/N)

1.5 信道复用技术

多路复用技术：把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。把一条广播信道，逻辑上分成几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道，实际就是把广播信道转变为点对点信道。

静态划分信道（信道划分介质访问控制）：

• 频分多路复用FDM

  

• 时分多路复用TDM

  

  统计时分复用STDM： 只要有信息就直接发送，不管发送方是谁

  

• 波分多路复用WDM： 波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来

  

• 码分多路复用CDM

2. 传输介质及物理层设备

2.1 传输介质

导引型：

• 双绞线

  • 屏蔽双绞线
  • 非屏蔽双绞线

• 同轴电缆

  

• 光纤： 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

  • 单模光纤
  • 多模光纤

非导引型：

• 无线电波（信号向所有方向传播）： 较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。
• 微波（信号固定方向传播）： 微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。
  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信
• 红外线、激光（信号固定方向传播）： 把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

2.2 物理层设备

物理层设备：中继器、集线器

链路层设备：网桥、交换机

网络层设备：路由器

2.3 宽带接入技术（有线）

宽带接入方法：

• 非对称数字用户线ADSL
  • 媒体：双绞线（原电话线进行改造）
• 光纤同轴混合网HFC
  • 媒体：光纤+同轴电缆（原有线电视网进行改造）
• 光纤到…FFTx
  • 媒体：光纤