一、物理层的基本概念
- 物理层的主要功能是考虑如何在传输媒体上传输数据比特流
- 向数据链路层屏蔽硬件设备和传输媒体的差异
- 物理层规程（协议）的主要任务是确定与传输媒体的接口有关的一些特性：
机械特性：指明接口的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等
电气特性：指明电压的范围。如比特0和1分别使用多少电压表示
功能特性：描述接口的功能，如定义接口的每一个引脚功能
过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
物理层协议举例：
RS-232C接口标准 
机械特性 规定使用一个9芯的标准连接器，并对该连接器的尺寸及针芯或孔芯的排列位置等做详细说明
电气特性 规定逻辑“1”的电压为-15至-5伏，逻辑“0”的电压为+5至+15伏，+5伏和-5伏之间为过渡区域不做定义。
功能特性 定义接口的每一个引脚的功能。
过程特性
各根控制信号线在有序的“ON”(逻辑“0”)和“OFF”(逻辑“1”)状态的配合下进行的。
在DTE—DCE连接的情况下，只有DTR(数据终端就绪)和DSR(数据装置就绪)均为“ON”状态时，才具备操作的基本条件。
此后，若DTE要发送数据，则须先将RTS(请求发送)置为“ON”状态，等待CTS(允许发送)应答信号为“ON”状态后，才能在TXD(发送数据)上发送数据
二、数据通信的基础知识
1、数据通信的基本模型，如图
2、数据通信用语
消息(message) ——人能理解的信息
数据(data)——运送消息的实体（消息的表示方法）
信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现
模拟信号(连续信号)——取值是连续的。一般用一连串的正弦波或余弦波表示。
数字信号(离散信号)——取值是离散的。一般是一连串表示0或表示1的脉冲信号。表示不同离散数值的脉冲信号成为码元
3、有关信道的几个基本概念
信道：表示向某一个方向传送信息的媒体
从通信双方的交互方式分
单向通信——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。
双向同时通信——通信的双方可以同时发送和接收信息。
从信道传输的信号分
模拟信道——传输模拟信号的信道（适合短距离通信）
数字信道——传输数字信号的信道（适合长距离通信）
4、数字信号在模拟通道上的传输
数字信号必须要进过调制才能在模拟信道上传输
基本的带通调制方法：
调幅：载波的振幅随基带数字信号而变化
调频：载波的频率随基带数字信号而变化
调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化
5、信道的极限容量
任何实际信道都不是理想的，在传输信号时都会产生失真
有失真，但是可识别
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重
失真大，不可识别
奈氏准则：在理想条件下，为了避免码间干扰，码元的传输速率的上限值：码元传输速率 = 2W （W是信道的带宽Hz） （码元传输速率的单位：码元/s）
提高信息的传输速率的方法： 用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。
将信号分为2个等级，则1个码元能携带1个比特信息量
将信号分为4个等级，则1个码元能携带2个比特信息量
将信号分为n个等级，则1个码元能携带log2n个比特信息量
波特率 码元传输的速率（即每秒传输多少个码元）
比特率 数据传输的速率（即每秒传输多少个比特）
比特率= log2n波特率 （n是指分为多少个等级）
6、信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，噪声会使接收端对码元的判断产生影响。
噪声的影响是相对的，信号相对强，噪声的影响就相对小
信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。 信噪比（dB）=10log10(S/N)
7、香农公式
香农公式指出了带宽受限且有噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
信道的极限信息传输速率 C 可表达为 C = W log2(1+S/N) b/s
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 为信道内部的噪声功率。
三、传输媒体
传输媒体---也称为传输介质或传输媒介
指传输系统中发送器和接收器之间的物理链路
分为两大类：
1、导引型传输媒体（有线）：双绞线、同轴电缆、光缆
双绞线：把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair）
屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
同轴电缆
50 Ω 同轴电缆（细缆） 用于数字信号的传输，早期用于局域网中计算机的连接，现在已经被双绞线所代替
75 Ω同轴电缆（粗缆） 用于模拟信号的传输，目前应用在有线电视的居民小区中
光缆
利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信。
有光脉冲表示1，无光脉冲表示0
2、非导引型传输媒体（无线）
微波通信的两种主要形式
地面微波接力通信
微波在空间主要是直线传播。
由于地球表面是曲面，采用100m高的天线塔，传播距离大约为100km 为实现远距离通信，需要建立若干个中继站
卫星通信
在地球站之间利用位于36000km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波通信
优点：通信距离远，覆盖范围大
缺点：传播时延大，造价贵、需要一个强大的中央站
VSAT(Very Small Aperture Terminal)甚小孔径地球站
需要一个强大的中央站
小站天线直径往往不超过1m，造价便宜 小站之间通信需要经过中央站存储转发
四、信道复用技术
1、复用（multipexing）是通信技术中的基本概念，其好处是：共享信道，充分使用信道带宽
1）、频分复用(Frequency Division Multiplexing) ---不同的用户占用不同的带宽资源（这里的带宽指频带宽度，单位是赫兹）
2）时分复用(Time Division Multiplexing)
将时间划分为一段段等长的周期，每一个用户在一个周期中占用固定序号的时隙。
每一个用户轮流交替地使用单一信道。
时分复用会可能会造成线路资源的浪费---使用时分复用系统传送计算机数据时， 由于计算机数据的突发性质，用户对 分配到的子信道的利用率一般是不高的。
3）、统计时分复用STDM(Statistic TDM)
4）波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing) ---波分复用就是光的频分复用。
5）码分复用（Code division multiplexing）
常用的是码分多址 CDMA（Code division multiplexing Access）--CDMA在第二次世界大战期间研究开发的，最初应用于军事通信。
目前已经广泛应用在民用移动通信领域
每个用户在同样的时间使用同样的频带通信，而通信之间相互不干扰
码片序列（chip sequence）
码片：每一个比特时间划分为m个段的间距，称为码片（chip）。 通常情况下每比特有64或128码片。
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 11100100
S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)
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)。
【例】
令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。
把向量 S 和 T 的各分量值代入(2-3)式就可看出这两个码片序列是正交的。
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)都是 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。
