1. 概述

物理层要考虑的怎样才能在连接<mark>各种</mark>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。其要尽可能屏蔽不同的传输媒体和通信手段的差异，也就是物理层的实现要对数据链路层透明，使链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务。

由此可见，物理层主要任务可以描述为两方面：

• 确定与传输媒体的接口有关的一些特性：机械特性、电器特性、功能特性、过程特性
• 实现传输方式的转换：计算机内部的并行传输与通信线路中的串行传输的转换、数字信号与模拟信号的转换

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2. 数据通信系统的基础

2.1 数字通信系统的组成

一个数字通信系统内需要通信，一般需要三部分，即

• 源系统
  • 信源：产生要传输的数据的设备，又称信源
  • 发送器：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，如调制器
• 传输系统
• 目的系统
  • 终点：从接收器中获取传送来的数字比特流的设备
  • 接收器：接收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，如解调器

2.2 信号分类

在传输系统中，数据并不是以比特流进行传输的，而是通过信号的方式进行传递。信号从编码方式上分数字信号（离散）、模拟信号（连续），从实现载体上分电信号、光信号。

数据从信源到信道之间，需要经过调制解调器进行数字信号与模拟信号的转换，而在信道中，一般通过电信号（双绞线、电话线）和光信号（光纤）实现模拟信号的传输。

2.3 有关信道的几个概念

信息交互方式：

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

• 单向通信 ：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：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：通信的双方可以同时发送和接收信息

信号变换方式：

来自信源的信号常称为基带信号，其并不适合在大多数信道中传输，因此需要对基带信号进行调制。

调制可分为两大类：一类仅仅是对基带信号的波形进行变换，称为基带调制（也称编码）；另一类则将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，称为带通调制。

2.4 信号的常用编码方式

• 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变代表0，位周期中心的向下跳变代表1

从信号波形中可以看出，曼彻斯特(Manchester)编码产生的信号频率比不归零制高。从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。

2.5 信号的基本调制方式

2.6 信道的极限容量

事实上，数字通信的优点是：在接收端只要我们能从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。

而信号在信道中传输，必然是会出现失真的，我们要做的就是如何减少失真度。

信道能够通过的频率范围

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，许多高频信号往往不能通过信道，而造成信号的衰减，在接收端看来信号就失真了。

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，随机出现的噪声会叠加在信号上造成失真，但这是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。两者比值就是信噪比，即信号的平均功率和噪声的平均功率之比。

信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高

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3. 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。一般来说分为引导性传输媒体（有线传输）和非引导性传输媒体（无线传输）。

3.1 引导型传输媒体

双绞线：把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，并用规则的方法进行绞合。传输速率不高

同轴电缆：由于外导体屏蔽层的作用，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。

光纤：光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0。

3.2 非引导型传输媒体

短波通信、无线电微波通信、红外线通信、激光通信等。

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4. 信道复用技术（静态）

4.1 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。可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。

4.2 时分多路复用

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（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，时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

4.3 统计时分复用

时分多路复用可能造成在某时刻信道利用率极低（占用时隙但不使用），因此常使用集中器将一些用户的数据集中起来再发送，这就是统计时分复用。

工作过程：

统计时分复用使用STDM帧来传送复用的数据。各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，然后集中器按顺序依次扫描输入缓存，把缓存中的输入数据放入STDM帧中。对没有数据的缓存就跳过去。当一个帧的数据放满了，就发送出去。

因此在输出线路上，每个用户占用的时隙并不是周期性出现，故统计时分复用又称异步时分复用。

4.4 波分多路复用

波分多路就是光的频分复用，复用器将数转化成不同波长的光，进行传输

4.5 码分多路复用

• 每个用户分配一个唯一的m bit码片序列，其中0用-1表示，1用+1表示。

• 用户利用各自码片序列编码数据，再使用相同频率载波进行发送

• 编码信号 = 原始数据 * 码片序列

• 为了用户信息之间不相互干扰，用户码片序列之间需要相互正交