物理層的主要任務

確定與傳輸媒體的介面有關的一些特性：

• 機械特性
• 電氣特性
• 功能特性
• 過程特性

傳輸方式的轉換

• 資料在計算機中多采用*** 並行傳輸 *** 方式
• 資料在通訊線路上的傳輸方式一般是*** 序列傳輸 ***

資料通訊的基礎知識

資料通訊系統的模型

{% asset_img 資料通訊系統的模型.png 資料通訊系統的模型 %}

資料通訊基本概念

• 模擬訊號（連續訊號） ：一般是正弦或餘弦波形
• 數字訊號（離散訊號）：脈衝訊號

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

• 模擬傳輸：模擬資料的傳輸，不關心傳輸訊號的內容，只關心減少訊號的衰減和噪聲，長距離傳輸，採用訊號放大器放大被衰減的訊號，同時放大了噪聲
• 數字傳輸（適合長距離傳輸）：數字資料0、1的傳輸，關心訊號的內容，可以數字訊號傳輸也可以模擬訊號傳輸，長距離傳輸時，採用轉發器，可以消除噪聲的累積

通道及其極限容量

• 通道：資料傳輸的通道
  • 單向通訊：單工，單向傳輸
  • 雙向交替通訊：半雙工，一方發，一方收，不能同時
  • 雙向同時通訊：全雙工，同時傳送和接收資訊，需要兩條通道
• 通道引數
  • 資料傳輸速率 = 頻寬
  • 載波頻率：通道對應的頻率
  • 取樣頻率：模擬訊號轉化為數字訊號時取樣的速率
  • 量化：對取樣訊號的數字化
  • 噪聲、信噪比：** 信噪比（dB）= 10log₁₀(S/N)（dB）**

Nyquist定理——計算機通訊的基本定理 位元率 = log₂

V波特率 在無噪通道中，當頻寬為H Hz，訊號電平為V級： ** 資料傳輸速率 = 2Hlog₂V (b/s) ** V：訊號電平的級數，在二進位制中，僅為0、1兩級 取樣定理：以每秒高於2H次的速率對線路取樣是無意義的，因為高頻分量已被濾波器過濾無法恢復

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 如果通道的頻帶越寬，也就是能通過的訊號高頻分量越多，那麼就可以使用更高的速率傳送碼元而不出現碼間串擾

夏農（Shannon)定理： 在噪聲通道中，當頻寬為H Hz，信噪比為 S/N ： 最大資料傳輸速率（b/s）= Hlog₂（1+S/N）

通道的頻寬或通道中的信噪比越大，資訊的極限傳輸速率就越高 只要資訊傳輸速率低於通道的極限資訊傳輸速率，就可以找到某種辦法實現無差錯的傳輸 對於頻頻寬度已確定的通道，如果信噪比不能再提高了，並且碼元傳輸速率也達到了上限值，那麼還有辦法提高資訊的傳輸速率。這就是用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多位元的資訊量

資料傳輸

基帶傳輸： ​ - 基帶訊號：訊號源產生的原始電訊號，也叫基本頻帶訊號 ​ - 基帶訊號往往包含有較多低頻成分，因此必須對基帶訊號進行調製 寬頻傳輸 ​ - 將基帶訊號進行調製後形成模擬訊號，經過載波調製，然後採用頻分複用技術實現寬頻傳輸 ​ - 帶通訊號（頻帶訊號）：把基帶訊號經過載波調製，把訊號的頻率範圍搬移到較高的頻段 ​ - 寬頻傳輸：多個頻帶的帶通訊號在同一個物理媒體上傳輸 ​

• 數字資料在模擬通道上傳輸：數字訊號——>模擬訊號

  • 將數字資料調製成模擬訊號進行傳輸，把0、1用波形表示
  • 通常有三種基本的調製方式
    • 調幅ASK：用載波的兩種不同的振幅來表示兩個二進位制
    • 調頻FSK：用載波附近的兩種不同的頻率來表示兩個二級制
    • 調相PSK：用載波的相位移動來表示兩個二進位制
  • 正交調相QPSK
  • 正交調幅QAM

• 數字資料的數字訊號傳輸

  • 數字訊號的編碼：數字資料用離散訊號表示，存在傳送方和接收方的同步問題
  • 常用的數字訊號編碼方式：
    • 不歸零編碼NRZ
    • 曼切斯特編碼——自同步編碼方式
    • 差分曼切斯特編碼——自同步編碼方式，抗干擾性強於曼切斯特編碼，根據傳送一個位元開始時有無跳變表示0或1
  • 編碼方式的比較：
    • 不歸零制編碼的編碼密度最高，接收端一次取樣可得到一個bit ，即波特率等於位元率，但不能攜帶時鐘
    • 曼切斯特編碼的編碼密度最低，接收端二次取樣才可得到一個bit ，即波特率是位元率的兩倍，但每個bit中都有訊號跳變，即攜帶了時鐘
    • 差分曼切斯特編碼與曼切斯特編碼基本相同

• 模擬資料在數字通道上傳輸

  • 模擬資料變成數字資料在數字通道上傳遞
  • 採用脈衝編碼調製（PCM–Pulse Code Modulation）技術
  • 關鍵點：在接收端還原成模擬資料
  • PCM以Nyquist取樣定理為基礎

  取樣定理 ：如果在規定的時間間隔內，以有效訊號最高頻率的二倍或二倍以上的速率對該訊號進行取樣，則這些取樣值中包含了全部原始訊號資訊

通道複用技術

頻分複用FDM

Frequency Division Multiplexing 前提：傳輸介質的可用頻寬必須超過各路給定訊號所需頻寬的總和 頻分複用的所有使用者再同樣的時間佔用不同的頻寬資源

時分複用TDM

Time Division Multiplexing 每個訊號按時間先後輪流交替地使用單一通道，多個數字訊號再巨集觀上可以認為是同時進行傳輸 ​ - 將時間劃分為一段段等長的時分複用幀。每一個時分複用的使用者在每一個TDM幀中佔用固定序號的時隙。 ​ - 每一個使用者所佔用的時隙是週期性地出現 ​ - TDM訊號也稱為等時訊號 ​ - 時分複用地所有使用者是在不同的時間佔用同樣的頻頻寬度

{% asset_img 時分複用.png 時分複用 %}

TDM的同步和非同步： ​ - 同步TDM: ​ - 時間片與輸入裝置一一對應，同步 ​ - 如果某個時間片對應的輸入裝置無資料傳送，則該時間片空閒 ​ - 傳輸介質的傳輸速率不能低於各個輸入訊號的資料速率之和 ​ - 同步TDM可能會造成線路資源的浪費 {% asset_img 同步TDM.png 同步TDM %} ​ - 非同步TDM ​ - 時間片是按需動態分配的 ​ - 時間片與輸入裝置之間沒有對應關係，任何一個時間片都可以用於傳輸任何一路輸入訊號 ​ - 在傳輸的資料單元中必須包含地址資訊，以便定址目的節點 ​ - 傳輸介質的傳輸速率只要不低於各個輸入訊號的平均速率即可 ​ - 非同步TDM又稱統計TDM(STDM)

{% asset_img 非同步TDM.png 非同步TDM %}

波分複用WDM

Wavelength Division Multiplexing 光的頻分複用

碼分複用CDM

Code Division Multiplexing

分碼多重進接（Code Division Multiple Access）

• 每個使用者可以CDMA在同樣的時間使用同樣的頻帶進行通訊
• 抗干擾強，頻譜類似白噪聲，不易被發現
• 採用CDMA可提高通訊的話音質量和資料傳輸的可靠性，減少干擾對通訊的影響，增大通訊系統的容量，降低手機的平均發射功率等

碼片序列（chip sequence）

• 每一個位元時間再劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片(chip)。 通常m取值為64或128（在後面的原理性說明中，取為8）
• 每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列(chip sequence) 。 如傳送位元 1，則傳送自己的 m bit 碼片序列。 如傳送位元 0，則傳送該碼片序列的二進位制反碼。 例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。 傳送位元 1 時，就傳送序列 00011011， 傳送位元 0 時，就傳送序列 11100100。 為了方便，將碼片0寫為–1 ，將1寫為+1 S 站的碼片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
• 每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須互相正交(orthogonal)。 在實用的系統中是使用偽隨機碼序列。

碼片序列的正交關係

• 令向量 S 表示站 S 的碼片向量，令 T 表示其他任何站的碼片向量
• 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(inner product)都是 0 {% asset_img 碼片正交.png 碼片正交 %}

{% asset_img 碼片規格化.png 碼片規格化 %}

交換技術

物理媒體中間裝置傳遞資料的技術

電路交換

• 在資料傳輸前，必須建立一條端到端的通路，稱為連線，該連線可能穿越多個交換局，而每個交換局都必須為之提供連線
• 一旦建立連線，整個通路將被獨佔，除訊號傳播的延時之外，資料傳輸無額外延時，資料中毋需包含目的地址
  • 服務質量好
  • 線路的利用率較低
  • 建立連線時間長，因連線建立時衝突概率高

報文交換

• 無論資料傳輸過程要跨越多少個交換結點（通常是路由器），只要下一站不忙，該資料即送至下一站
• 資料的傳輸毋需建立連線，資料的傳輸是一站一站往下送，所以資料中必須包含目的地址，並採用儲存-轉發（store-forward）機制
  • 線路的利用率較高
  • 由於採用store-forward機制，所以在資料傳輸過程中，除了訊號傳播的延時之外，還有儲存和轉發的延時，而且可能延時較大，且不可估計－－擁塞
  • 每個中間站點都必須有足夠大的快取，但由於報文大小不定，記憶體無法預留，所以快取通常設定在硬碟中（進一步延時）

分組交換

• 與報文交換相似，只是將報文分為若干個定長的分組（≤最大分組長度），每個分組為一個子報文 可以為分組在記憶體預留空間
• 每個分組中必須包含目的地址，並採用儲存-轉發機制
  • 線路的利用率較高
  • 由於採用store-forward機制，所以在資料傳輸過程中，除了訊號傳播的延時之外，還有儲存和轉發的延時，而且可能延時較大，且不可估計
  • 每個中間站點必須有快取，但由於報文大小固定，所以快取通常在記憶體中設定 儲存轉發的速度較報文交換高
  • 接收分組和傳送分組的順序可能不一致 ，因此在接收端需要快取並且可能還需要重組，進而還原出原始報文

虛電路交換

• 將電路交換的概念引入到分組交換
  • 資訊傳遞依然採用分組（定義最大分組長度）
  • 引入電路交換的連線建立過程
  • 找到路徑（但非獨佔路徑上的鏈路），因而經過中間結點時的路由延時小，且保留了分組交換中線路利用率高的優點
  • 傳送端到接收端有一條確定的路徑，因而接收順序與傳送順序一致