物理层的知识结构图：

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物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种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。

数据通信系统的模型

数据通信是指计算机或其他数字终端之间的通信。
一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。
一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。

调制分为两大类：

• 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。
• 带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把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，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）
• 带通信号 ：经过载波调制后的信号

物理层的接口特性

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性。

常用编码方式

• 从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻斯特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（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

基本的带通调制方法

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制 。

最基本的二元制调制方法有以下几种：

• 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
• 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
• 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

为什么低频信号不适合在信道上传输？

信道的极限容量

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远/传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

为什么码元传输速率越高,失真越大 ?
1、数字信号=脉冲信号 。数字脉冲主要以方波脉冲传输,一个数字脉冲即一个方波为一个码元。
2、与电路传输的瞬态响应有关。首先，码元速率为 B=1/T，B越大 T越小 频率f 就越大。

限制信道传输速率的因素：

• 信道能够通过的频率范围
  1924年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（b/s）?
答：C=RLog2（16）=20000b/s4=80000b/s

奈式准则：理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V

• 信噪比：就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。
  
  香农定理：
  香农公式表明：

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。 若信道带宽 W 或信噪比 S/N
没有上限（实际信道不可能这样），则信道极限信息传输速率 C 也就没有上限。 实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

物理层下面的传输媒体

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。

分类

• 导引型传输媒体
  电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
  
• 非导引型传输媒体
  在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。
  将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
  利用非导引型传输媒体在自由空间的传播可以实现远距离通信及在运动中进行数据通信。例如：短波通信（高频通信），微波，卫星通信，红外通信，激光通信。

信道复用技术

相关概念
复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。
它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

• 1.频分复用（所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源）
  
• 2.时分复用(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。)
  
  可能会造成线路资源的浪费
• 3.统计时分复用（STDM 帧不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。因此统计时分复用可以提高线路的利用率。 ）
  

• 码分复用 CDM
  常用的名词是码分多址 CDMA

码片序列(chip sequence)

• 每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
• 每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
  如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。
  如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。
• 例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。
  发送比特 1 时，就发送序列 00011011，
  发送比特 0 时，就发送序列 。
• S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

CDMA 的重要特点：

• 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交= (orthogonal)。
• 在实用的系统中是使用伪随机码序列。

码片序列的正交关系

• 令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。
• 两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积 (inner product) 等于 0：
• 任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是 1 。
• 一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

例： 共有4个站进行码分多址通信。4个站的码片序列为
A：（－1－1－1＋1＋1－1＋1＋1） B（－1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）
C：（－1＋1－1＋1＋1＋1－1－1）
D：（－1＋1－1－1－1－1＋1－1）
现收到这样的码片序列S：（－1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。
问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是0还是1？
解：S•A=（＋1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／8=1， A发送1
S•B=（＋1－1－3－1－1－3＋1－1）／8=－1， B发送0
S•C=（＋1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／8=0， C无发送
S•D=（＋1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／8=1， D发送1