??2.1 物理層的基本概念
??2.2 物理層下面的傳輸媒體
傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，他就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體課分為兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體
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傳輸媒體不屬于計算機網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的任何一層。如果非要將它添加到體系結(jié)構(gòu)中，那只能將其放置到物理層之下。
?2.2.1 導引型傳輸媒體
在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿著固體媒體傳播。
- 同軸電纜
- 雙絞線
- 光纖
- 多模光纖
- 可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。
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- 單模光纖
- 若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖稱為單模光纖。
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- 電力線
?2.2.2 非導引型傳輸媒體
非導引型傳輸媒體是指自由空間。
- 無線電波
- 微波
- 紅外線
- 可見光
??2.3 傳輸方式
?2.3.1 串行傳輸和并行傳輸
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串行傳輸：
- 數(shù)據(jù)是一個比特一個比特依次發(fā)送的，因此在發(fā)送端與接收端之間，只需要一條數(shù)據(jù)傳輸線路即可
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并行傳輸：
- 一次發(fā)送n個比特，因此，在發(fā)送端和接收端之間需要有n條傳輸線路
- 并行傳輸?shù)膬?yōu)點是比串行傳輸?shù)乃俣萵倍，但成本高
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數(shù)據(jù)在傳輸線路上的傳輸(兩機子之間的傳輸)采用是串行傳輸，計算機內(nèi)部的數(shù)據(jù)（eg:CPU到內(nèi)存）傳輸常用并行傳輸
?2.3.2 同步傳輸和異步傳輸
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同步傳輸：
- 數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸。字節(jié)之間沒有間隔
- 接收端在每個比特信號的中間時刻進行檢測，以判別接收到的是比特0還是比特1
- 由于不同設(shè)備的時鐘頻率存在一定差異，不可能做到完全相同，在傳輸大量數(shù)據(jù)的過程中，所產(chǎn)生的判別時刻的累計誤差，會導致接收端對比特信號的判別錯位
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所以要使收發(fā)雙發(fā)時鐘保持同步
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異步傳輸：
- 以字節(jié)為獨立的傳輸單位，字節(jié)之間的時間間隔不是固定
- 接收端僅在每個字節(jié)的起始處對字節(jié)內(nèi)的比特實現(xiàn)同步
- 通常在每個字節(jié)前后分別加上起始位和結(jié)束位
?2.3.3 單工、半雙工和全雙工
在許多情況下，我們要使用“信道（channel）”這一名詞。信道和電路并不等同。信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。因此，一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。
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從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：
- 單向通信： 又稱為單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電以及電視廣播就屬于這種類型
- 雙向交替通信：
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又稱為半雙工通信，即通信的雙方可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送（當然也就不能>同時接收）。這種通信方式使一方發(fā)送另一方接收，過一段時間后可以再反過來
- 雙向同時通信：
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又稱為全雙工通信，即通信的雙發(fā)可以同時發(fā)送和接收信息。
單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則需要兩條信道（每個方向各一條）
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雙向同時通信的傳輸效率最高
??2.4 編碼與調(diào)制
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常用術(shù)語
- 數(shù)據(jù) (data) —— 運送消息的實體。
- 信號 (signal) —— 數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。
- 模擬信號 (analogous signal) —— 代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。
- 數(shù)字信號 (digital signal) —— 代表消息的參數(shù)的取值是離散的。
- 碼元 (code) —— 在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。
- 基帶信號（即基本頻帶信號）—— 來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。
- 基帶信號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。因此必須對基帶信號進行調(diào)制 (modulation)
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在計算機網(wǎng)絡(luò)中，常見的是將數(shù)字基帶信號通過編碼或調(diào)制的方法在相應(yīng)信道進行傳輸
?2.4.1 傳輸媒體與信道的關(guān)系
信道的幾個基本概念
- 信道 —— 一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。
- 單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。
- 雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時發(fā)送(當然也就不能同時接收)。
- 雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發(fā)送和接收信息。
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嚴格來說，傳輸媒體不能和信道劃等號對于單工傳輸，傳輸媒體只包含一個信道，要么是發(fā)送信道，要么是接收信道
對于半雙工和全雙工，傳輸媒體中要包含兩個信道，一個發(fā)送信道，另一個是接收信道
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如果使用信道復(fù)用技術(shù)，一條傳輸媒體還可以包含多個信道
?2.4.2 常用編碼
- 不歸零編碼
- 正電平表示比特1/0
- 負電平表示比特0/1 中間的虛線是零電平，所謂不歸零編碼，就是指在整個碼元時間內(nèi)，電平不會出現(xiàn)零電平
實際比特1和比特0的表示要看現(xiàn)實怎么規(guī)定
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這需要發(fā)送方的發(fā)送與接收方的接收做到嚴格的同步
- 需要額外一根傳輸線來傳輸時鐘信號，使發(fā)送方和接收方同步，接收方按時鐘信號的節(jié)拍來逐個接收碼元
- 但是對于計算機網(wǎng)絡(luò)，寧愿利用這根傳輸線傳輸數(shù)據(jù)信號，而不是傳輸時鐘信號
由于不歸零編碼存在同步問題，因此計算機網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸不采用這類編碼！
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2. 歸零編碼
歸零編碼雖然自同步，但編碼效率低
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3. 曼徹斯特編碼
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在每個碼元時間的中間時刻，信號都會發(fā)生跳變
- 負跳變表示比特1/0
- 正跳變表示比特0/1
- 碼元中間時刻的跳變即表示時鐘，又表示數(shù)據(jù)
實際比特1和比特0的表示要看現(xiàn)實怎么規(guī)定
傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用的就是曼切斯特編碼
- 差分曼徹斯特編碼
在每個碼元時間的中間時刻，信號都會發(fā)送跳變，但與曼徹斯特不同
- 跳變僅表示時鐘
- 碼元開始處電平是否變換表示數(shù)據(jù)
- 變化表示比特1/0
- 不變化表示比特0/1
實際比特1和比特0的表示要看現(xiàn)實怎么規(guī)定
比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率
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5. 總結(jié)
?2.4.3 調(diào)制
數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，在模擬信道中傳輸，例如WiFi，采用補碼鍵控CCK/直接序列擴頻DSSS/正交頻分復(fù)用OFDM等調(diào)制方式。
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模擬信號轉(zhuǎn)換為另一種模擬信號，在模擬信道中傳輸，例如，語音數(shù)據(jù)加載到模擬的載波信號中傳輸。頻分復(fù)用FDM技術(shù)，充分利用帶寬資源。
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基本調(diào)制方法
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- 調(diào)幅AM：所調(diào)制的信號由兩種不同振幅的基本波形構(gòu)成。每個基本波形只能表示1比特信息量。
- 調(diào)頻FM：所調(diào)制的信號由兩種不同頻率的基本波形構(gòu)成。每個基本波形只能表示1比特信息量。
- 調(diào)相PM：所調(diào)制的信號由兩種不同初相位的基本波形構(gòu)成。每個基本波形只能表示1比特信息量。
但是使用基本調(diào)制方法，1個碼元只能包含1個比特信息
混合調(diào)制
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上圖碼元所對應(yīng)的4個比特是錯誤的，碼元不能隨便對應(yīng)4個比特
?2.4.4 碼元
在使用時間域的波形表示數(shù)字信號時，代表不同離散數(shù)值的基本波形。
??2.5 信道的極限容量
任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。
碼元傳輸?shù)乃俾试礁?，或信號傳輸?shù)木嚯x越遠，或傳輸媒體質(zhì)量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。
?2.5.1 奈氏準則和香農(nóng)定理對比
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失真的原因：
- 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?/li>
- 信號傳輸?shù)木嚯x越遠
- 噪聲干擾越大
- 傳輸媒體質(zhì)量越差
奈氏準則和香農(nóng)公式對比：
??2.6 信道復(fù)用技術(shù)
本節(jié)內(nèi)容視頻未講到，是《計算機網(wǎng)絡(luò)（第7版）謝希仁》物理層的內(nèi)容
?2.6.1 頻分復(fù)用、時分復(fù)用和統(tǒng)計時分復(fù)用
復(fù)用 (multiplexing) 是通信技術(shù)中的基本概念。
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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。
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- 頻分復(fù)用 FDM (Frequency Division Multiplexing)
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將整個帶寬分為多份，用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。
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頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。
- 時分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)
- 時分復(fù)用則是將時間劃分為一段段等長的時分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個時分復(fù)用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。
- 每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長度）的。
- TDM 信號也稱為等時 (isochronous) 信號。
- 時分復(fù)用的所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。
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時分復(fù)用可能會造成線路資源的浪費
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使用時分復(fù)用系統(tǒng)傳送計算機數(shù)據(jù)時，由于計算機數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。
- 統(tǒng)計時分復(fù)用 STDM (Statistic TDM)
?2.6.2 波分復(fù)用
波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)
文章來源：http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-796004.html
?2.6.3 碼分復(fù)用
碼分復(fù)用 CDM (Code Division Multiplexing)文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-796004.html
- 常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
- 各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
- 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。
到了這里，關(guān)于計算機網(wǎng)絡(luò)（湖科大）第二章 物理層的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請在右上角搜索TOY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！
