物理層
一、物理層概述
物理層考慮的是怎樣才能在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流，而不是具體的傳輸媒體。物理層的作用是要儘可能地屏
蔽掉不同傳輸媒體和通訊手段。用於物理層的協議也常稱為物理層規程。
物理層主要任務：確定與傳輸媒體的介面的一些特性
機械特性：指明介面所用接線器的形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等。
電氣特性：指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍。
功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
二、資料通訊的基礎知識
資料通訊系統模型：一個資料通訊系統包括三大部分：源系統(傳送端、傳送方)、傳輸系統(傳輸網路)、目的系統(接收端、接收方)
常用術語： 資料：運送訊息的實體
訊號：資料的電氣的或電磁的表現
模擬訊號：代表訊息的引數的取值是連續的
數字訊號：代表訊息的引數的取值是離散的
碼元：在使用時間域的波形表示數字訊號時，代表不同離散數值的基本波形
通道：一般用來表示某一個方向傳輸資訊的媒體
單向通訊(單工通訊)：只能有一個方向的通訊而沒有反方向的互動。
雙向交替通訊(半雙工通訊)：通訊的雙方都可以傳送訊息，但不能雙方同時傳送
雙向同時通訊(全雙工通訊)：通訊的雙方可以同時傳送和接收訊息。
基帶訊號(基本頻帶訊號)：來自信源的訊號。像計算機輸出的代表各種文字或影像檔案的資料訊號都屬於基帶訊號。基帶訊號往往包含有較多
的低頻成分，甚至有直流成分，而許多通道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶訊號進行調製。
調製分類：基帶調製：僅對基帶訊號的波形進行變換，使它能夠與通道特性相適應。變換後的訊號仍然是基帶訊號。把這種過程成為編碼。
帶通調製：使用載波進行調製，把基帶訊號的頻率範圍搬遷到較高的頻段，並轉換為模擬訊號，這樣就能夠更好地在模擬通道中傳
輸(即僅在一段頻率範圍內能夠通過通道)。帶通訊號指的是經過載波調製後的訊號。
基帶調製常用編碼方式：不歸零制：正電平代表1，負電平代表0
歸零制：正脈衝代表1，負脈衝代表0
曼徹斯特編碼：位週期中心的向上跳變代表0，位週期中心的向下跳代表1，但也可放過來定義。
差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表0，而位開始邊界沒有跳變代表1。
注意：從訊號波形可以看出，曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼產生的訊號頻率比不歸零制高。從自同步能力來看，不歸零制
不能從訊號波形本身中提取訊號時脈頻率(即沒有自同步能力)，而曼徹斯特和差分曼徹斯特具有自同步能力。
帶通調製調製方法：基帶訊號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多通道並不能傳輸這種低頻分量或直流分量。為了解決這一
問題，就必須對基帶訊號進行調製。
最基本的二元制調製方法有以下幾種：調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字訊號而變化
調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字訊號而變化
調相(PM)：載波的初始相位隨基帶數字訊號而變化
通道的極限容量：任何實際的通道都不是理想的，在傳輸訊號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。如果碼元傳輸的速率越高，或訊號傳輸的
距離越遠，或傳輸媒體的質量越差，在通道的輸出端的波形的失真就越嚴重。從概念上講，限制碼元在通道上的傳輸速率的因素
有以下兩個：通道能夠通過的頻率範圍(具體的通道所能通過的的頻率範圍總是有限的。訊號中的許多高頻分量往往不能通過，在
任何通道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，)
訊雜比(噪聲存在於所有的電子裝置和通訊通道中，噪聲是隨機產生的，它的瞬間值有時會很大，但噪聲的影響是相
對的，如果訊號相對較強，那麼噪聲的影響相對較小。
訊雜比就是訊號的平均功率和噪聲的平均功率之比。常記為S/N,並用分貝dB作為度量單位。記：
訊雜比(dB) = 10log10(S/N) (dB)
例如：當S/N=10時，訊雜比為10dB，而當S/N=1000時，訊雜比為30dB。)
夏農公式：夏農用資訊理論的理論推匯出了頻寬受限且有高斯白噪聲干擾的通道的極限、無差錯的資訊傳輸速率。
通道的極限傳輸速率C可表達為：
C = W log2(1+S/N) (bit/s)
(W代表通道的頻寬，單位為Hz。S為通道內所傳輸訊號的平均功率。N為通道內部的高斯白噪聲功率)
三、物理層下的傳輸媒體
傳輸媒體也稱傳輸介質或傳輸媒介，它就是資料傳輸系統中在傳送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體可分為兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳
輸媒體。在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿著固體媒體(銅線和光纖)傳播。在導引型傳輸媒體中，電磁波的傳輸常稱為無線傳輸。
1.導引型傳輸媒體
(1)雙絞線：最常用的傳輸媒體。模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，通訊距離一般為幾到幾十公里。
遮蔽雙絞線STP和無遮蔽雙絞線UTP的區別：有無帶有金屬遮蔽層。
3類線和5類線的區別：絞合度不同。絞合度越高，抗干擾能力越強，傳輸速率越高
(2)同軸電纜：同軸電纜具有很好的抗干擾特性，被廣泛用於傳輸較高速率的資料，同軸電纜的頻寬取決於電纜的質量
50Ω同軸電纜常用於LAN / 數字傳輸，70Ω同軸電纜常用於有線電視 / 模擬傳輸
(3)光纜：光纖是光纖通訊的傳輸媒體，由於可見光的頻率非常高，約為108MHz的量級，因此一個光纖通訊系統的傳輸頻寬遠遠大於目前其他
各種傳輸媒體的頻寬。
多模光纖：可以存在不同入射角度的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。
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，而不會產生多次全反射。
光纖優點：通訊容量非常大；傳輸損耗小，中繼距離長；抗雷電和電磁干擾效能好；無串音干擾，保密性好；體積小，重量輕。
2.非導引型傳輸媒體:將自由空間稱為“非導引型傳輸媒體”，無線傳輸所使用的頻段很廣
(1)短波通訊：(即高頻通訊)主要是靠電離層的反射，但短波通道的通訊質量較差，通訊速率低。
(2)微波通訊：微波在空間中主要是直線傳播。傳統的微波通訊有地面微波接力通訊和衛星通訊。
四、通道複用技術
複用是通訊技術的基本概念。它允許使用者使用一個共享通道進行通訊，降低成本，提高利用率。
通道複用技術分為分頻多工、分時多工和統計分時多工、波長分波多工、碼分複用。
1.分頻多工(FDM)：將整個頻寬分為多份，使用者在分配到一定的頻帶後，在通訊過程中自始至終都佔用這個頻帶。分頻多工的所有使用者在同樣的時間佔用
不同的頻寬資源(注意：此處的頻寬是頻率頻寬而不是資料的傳送速率)
2.分時多工(TDM)：將時間劃分一段段等長的分時多工幀(TDM幀)。每一個分時多工的使用者在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙。每個使用者所佔用的時
隙是週期性出現的(其週期就是TDM幀的長度)。TDM訊號也稱為等時訊號。分時多工的所有使用者是在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度。使用時分
複用幀系統傳送計算機資料時，由於計算機資料的突發性質，使用者對分配到的子通道的利用率一般是不高的。分時多工可能造成線路資源浪費。
3.統計分時多工(STDM)：提高了分時多工TDM的線路利用率
4.波長分波多工(WDM)：波長分波多工就是將光的分頻多工。使用一根光纖同時傳輸多個光載波訊號。
5.碼分複用(CDMA)：常用名詞分碼多重進接，各使用者使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。這種系統傳送的訊號有很強的抗干擾能力，其
頻譜類似白噪聲，不易被敵人發現。每一個位元時間劃分m個短的間隔，稱為碼片。每個站被指派一個唯一的m bit碼片序列，例如:傳送
位元1，則傳送自己的mbit的碼片，傳送位元0，則傳送自己該碼片的二進位制反碼。
碼片序列本質上實現了擴頻，假定S站要傳送資訊的資料率為b bit/s,由於每一個位元要轉換成m個位元的碼片，因此S站實際上傳送
的資料率提高到mb bit/s,同時S站所佔用的頻頻寬度也提高到原來數值的m倍。這種通訊方式是擴頻通訊中的一種。擴頻通訊通常有兩大類，
一種為直接序列擴頻DSSS,碼片序列就是這一類，另一種是跳頻擴頻FHSS。
CDMA的特點是每個站分配的碼片序列必須各不相同，並且還必須相互正交，在實際的系統中使用的偽隨機碼序列。碼片序列的正
交關係可描述為：
CDMA原理：
