物理層

物理層的基本概念

• 物理層要考慮的是怎麼再連線各種計算機的傳輸媒體上 傳輸資料位元流，而不是指具體的 傳輸媒體
• 物理層的作用是儘可能地遮蔽不同傳輸媒體和通訊手段地差異，可以理解為讓傳輸到物理層的訊號統一，好辨識。
• 物理層協定稱為 規程

物理層的主要任務

• 機械特性
• 電氣特性
• 功能特性
• 過程特性

資料通訊的基礎知識

資料通訊系統的模擬

• 源系統（傳送方）
• 傳輸系統（傳輸網路）
• 目的系統（接收方）

有關通道的幾個基本概念

通道 一般表示某一方向的傳送資訊的媒體

從通道的雙方資訊叫虎的方式來看可分為三種：

• 單向通訊
• 雙向交替通訊（半雙工通訊，單工） 即雙方都可以傳送資訊當不能同時傳送。
• 雙向同時通訊（全雙工通訊） 即雙方可以同時通訊

來自訊號源的訊號稱為 基頻訊號，因為其一般包含較多低頻成分，甚至直流成分，而很多通道不能傳輸這種低頻訊號和直流訊號，所有才要對其進行 調變。

調變分類

• 基頻調變

  方式：就是對基頻訊號的波形進行調變，使它能夠適應通道特性變換後的訊號仍為基頻訊號，是把數位訊號轉化為另一種數位訊號，也叫 編碼。

• 帶通調變

  方式：需要 載波進行調變，把基頻訊號的頻率範圍移到較高的頻段，並轉化為模擬訊號在模擬訊號的通道傳輸，變成 帶通訊號

常用的編碼方式

• 不歸零制

• 歸零制

• 曼徹斯特編碼

  這樣子代表0

  

（1）

這樣子代表1

（2）

（3）

• 差分曼徹斯特編碼

  很簡單，邊界有變化的是0，每變化的是1

  

基本的帶通調變方法

• 調幅
• 調頻
• 調相

通道的極限容量

通道上傳輸數位訊號如果速度過快會導致訊號失真，所有不能一味的要求速度，必須保證傳輸訊號的能識別度。

在通道中碼元的速度會有上限，如果突破這個上限一般會出現嚴重的 碼元串擾 現象導致嚴重的失真。

通道能夠通過的頻率範圍

碼間串擾

高頻的訊號在通道傳輸，訊號會被衰減，導致接收端接收到的訊號波形失去了碼元之間的清晰界限。

訊雜比

就是訊號的平均功率和噪聲的平均功率之比，記為： S/N,並用 **分貝（dB)**作為單位：

夏農公式

C = W /${\log }_2(1+S/N)$ (bit/s)

(C為通道的傳輸速率，W是通道的頻寬；S為通道內所傳輸訊號的平均功率；N為通道的高斯噪聲）

通道比越大，資訊的極限傳輸速率越高，但會導致訊號失真。

提高傳輸速率的辦法為： 讓每個碼元攜帶更多的位元資訊量

導引型傳輸媒體

1. 雙絞線

   雙絞線的絞合會減少相鄰導線的電磁干擾，一般用於電話系統

2. 遮蔽雙絞線

3. 同桌電纜

4. 光纜（光纖） 是通過光線的入射角不同來區分訊號的

   • 多模光纜
   • 單模光纜 傳輸距離遠

非導引型傳輸媒體

• 短波通訊

  一般靠電離層的反射來來進行通訊，距離傳輸遠，當失真嚴重。

• 無線微波通訊

  微波直線傳播，一般分為兩種 地面微波通訊 和 衛星通訊，可以穿透電離層進入宇宙，所有一般配合衛星使用。

通道複用技術

分頻多工、分時多工和統計分時多工

如圖，從通俗意義上來講複用技術就是把通道合併。

1. 分頻多工

   分頻多工是所有用在同樣的時間佔不同的頻寬資源，就相當於我在天上飛，你在地上走。

2. 分時多工

   1. 分時多工是使用者在不同的時間點用相同的頻頻寬度。

      統計分時多工（非同步分時多工）是改進版的分時多工能大大提高通道利用率

   （在通道通訊中 複用器和 分用器是成對使用的，認同我們寄快遞需要合在一塊寄過去，到達目的地有專門的人根據地址的不同進行分類）

波長分波多工

就是光的分頻多工

碼分複用CDMA（分碼多重進接）（重點）

優點：因為 各個使用者使用經過特殊挑選的不同的碼型，因此個使用者不會相互干擾；有很強的抗干擾性，其頻譜類似於白噪音，不易被敵人發現。

CDMA每一個位元劃分為m個短的時間間隔，稱為 碼片，每個站有自己 唯一 m位元 碼片序列，如果一個站要傳送1，則傳送自己m位元的碼片序列，傳送0則為1的反碼。

擴頻：就是傳送資訊資料率為b bit/s，由於每一個位元要轉化為m個位元的碼片，一個站所傳送所有資料率提高到mb bit/s。

1. 直接序列擴頻（就是上面說的）
2. 偽隨機碼片序列

規格化內積（重點）

兩個不同站的碼片序列正交，就是向量 S和 T的規格化 內積都是 0；

相同的站的碼片向量和自己的碼片向量規格化內積是 1；

而一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規格化內積為 -1。