第二章 物理层

①物理层基本特性

(1) 机械特性

指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置，等等。

(2) 电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

(3) 功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

(4) 过程特性

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

②解释下列概念

(1)数字信号：或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。

(2)模拟信号：或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。

(3)三种信息交互方式：

单工通信：即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。比如说：广播

半双工通信：即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）​。比如说：对讲机

全双工通信：即通信的双方可以同时发送和接收信息。比如：打电话、发邮件

注意：单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）​。显然，双向同时通信的传输效率最高。

(4)基带信号：来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）​。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

(5)带通信号：经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）​。

(6)码元：代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。注：一个码元所携带的信息量是不固定的，而是由调制方式和编码方式所决定。

③常用调制方法

首先了解一下什么是调制？调制是将数字信号转为模拟信号的过程。

方法：

● 调幅(AM)，即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。

● 调频(FM)，即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。

● 调相(PM)，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

④常用编码方法

首先了解一下什么是编码？编码是将数字信号转为另一种形式的数字信号的过程。

方法：

● 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。但也可反过来定义。

● 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表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。

⑤香农公式&奈氏准则

在接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。早在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。

奈氏准则：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。

在1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。

香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是

W为信道的带宽（以Hz为单位）​；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明，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。香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：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。不过，香农没有告诉我们具体的实现方法。这要由研究通信的专家去寻找。

总之，奈氏准则和香农公式是现实与理想之间的关系，传输速率有上限。

⑥传输媒介

传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

导引型传输媒体：

（1）双绞线：

绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。距离太长时就要加放大器以便将衰减了的信号放大到合适的数值（对于模拟传输）​，或者加上中 继器以便将失真了的数字信号进行整形（对于数字传输）​。导线越粗，其通信距离就越远，但导线的价格也越高。由于双绞线的价格便宜且性能也不错，因此使用十分广泛。

为了提高双绞线的抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。这就是屏蔽双绞线，简称为STP (Shielded Twisted Pair)。它的价格当然比无屏蔽双绞线UTP (Unshielded Twisted Pair) 要贵一些。

（2）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。

（3）光缆：

光缆是将多根光纤（有时也可能只有一根光纤，具体视应用需求而定）集合在一起，再加上一些保护、加强和辅助等结构部件制成的线缆。

可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤，只适合于近距离传输，传输距离一般为2km左右。

光纤就像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这样的光纤称为单模光纤，传输距离一般为100km左右。

非导引型传输媒体：

无线电、微波、卫星、红外线

*****⑦信道复用技术有哪些？

频分复用：频分复用的各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用：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。

波分复用：波分复用就是光的频分复用。现在人们借用传统的载波电话的频分复用的概念，就能做到使用一根光纤来同时传输多个频率很接近的光载波信号。这样就可使光纤的传输能力成倍地提高。由千光载波的频率很高，因此习惯上用波长而不用频率来表示所使用的光载波。这样就产生了波分复用这一名词。

码分复用：每个用户在同样的时间使用同样的频带进行通信，但每个用户使用的码型不同，所以用户之间不会造成干扰。