一.基础概述

1.物理层解决如何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

2.物理层主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性，包括如下四种：

（1）机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况等
（2）电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等
（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途
（4）规程特性(过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

二.数据通信

1.典型的数据通信模型：

2.数据通信相关概念

（1）通信的目的是：传送消息
（2）数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
（3）信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

• 数字信号:代表消息的参数取值是离散的(直线)
• 模拟信号:代表消息的参数取值是连续的(曲线)

（4）信源：产生和发送数据的源头
（5）信宿：接收数据的终点
（6）信道：信号的传输媒介

• 一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
• 按传输信号分类：
  • 模拟信道：传送模拟信号
  • 数字信道：传送数字信号

• 按传输介质分类：

  • 无线信道
  • 有线信道

    3.通信方式(从通信双方交互方式来说，有三种基本方式)

    （1）单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道
    （2）半双工通信通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
    （3）全双工通信通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道

    4.数据传输方式

    （1）串行传输；串行传输速度慢，费用低，适合远距离
    （2）并行传输：速度快，费用高，适合近距离(用于计算机内部数据传输)

    三.码元及速率

    1.码元：指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度

    （1）当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元。
    （2）1码元可以携带多个比特的信息量

• 例如，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，另一种代表1状态

（3）K进制码元：例如4进制码元 -> 码元的离散状态有4个 -> 4种高低不同的信号波形（00、01、10、11）

2.速率(数据率)：指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量，可分为如下两种：

（1）码元传输速率(码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等)：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Baud)

• 1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元 1Baud = 1码元/s
• 这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关

（2）信息传输速率(信息速率、比特率等)：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数)，单位是比特/秒(b/s）

• 1比特/秒表示1s传输1个比特 1b/s

（3）二者的联系：若1码元携带 n bit的信息量，则 M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为：M * n b/s

3.题目练习：

（1）某一数字通信系统传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，求系统的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？若另一通信系统传输的是十六进制码元，6s传输了7200个码元，求他的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？并指出哪个系统传输速率快？

四.奈氏准则 香农定理

1.失真：信号发生扭曲和变化失去真实性

（1）影响失真的因素：

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪音干扰
• 传输媒体质量

（2）失真情况：

• 有失真但可识别
• 失真大无法识别

（3）码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

• 码间串扰是失真会产生的一种现象

  2.信噪比：信号的平均功率 / 噪音的平均功率 ，常记为S/N，度量单位是分贝(dB)

  （1）噪音：它存在于所有的电子设备和通信信道中

• 由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误

• 但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要

（2）信噪比(dB) = 10log10(S/N)

3.奈氏准则：在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W 波特，其中W是信道带宽，单位是Hz

（1）计算公式：理想低通信道下的极限数据传输率 = 2Wlog2V (b/s)

• 2W表示极限码元传输速率
• V表示码元的离散电平数目

（2）推论：

• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能
• 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输
• 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
• 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法
• 要想提高数据率，就要提高带宽或采用更好的编码技术

（3）题目联系：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少?

4.香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

（1）计算公式：信道的极限数据传输率 = Wlog2(1+S/N) （b/s）

• W：带宽
• S/N：信噪比

（2）推论：

• 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
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输
• 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少
• 要想提高数据率，就要提高带宽或信噪比

（3）题目练习：电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少?

五.编码与调制

1.信道上传送的信号可以分为：基带信号和宽带信号

（1）基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）

• 来自信源的信号，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
• 基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号

（2）宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)

• 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段，以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道）

（3）差别：

• 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)

• 在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

  2.编码与调制

  （1）数据采用编码手段会变为数字信号；
  （2）数据采用调制手段会变为模拟信号；

  3.数字数据通过数字发送器编码为数字信号

  4.数字数据通过调制器调制为模拟信号

  5.模拟数据通过PCM编码器编码为数字信号

  6. 模拟数据通过放大器调制器调制为模拟信号

  六.物理层传输介质

  1.传输介质(传输媒体/传输媒介)：就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

  （1）传输媒体并不是物理层
  （2）传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层
  （3）在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流

  2.传输介质分类：

  （1）导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播
  （2）非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等

  3.导向性传输介质：

  （1）双绞线：古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成

• 绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰

• 为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线(STP)，无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP)
• 双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。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公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

（2）同轴电缆：由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成

• 按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类: 50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆
• 50Ω同轴电缆(基带同轴电缆)主要用于传送基带数字信号，它在局域网中得到广泛应用
• 75Ω同轴电缆(宽带同轴电缆)主要用于传送宽带信号，它主要用于有线电视系统
• 同轴电缆vs双绞线：由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线妤,被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵

（3）光纤：光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信

• 有光脉冲表示1，无光脉冲表示0
• 可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
  • 光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲;在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲
• 光纤主要由实心的纤芯和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去，因此达到超低损耗，传送超远距离
• 光纤的特点：
  • 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
  • 抗雷电和电磁干扰性能好
  • 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
  • 体积小，重量轻

4.非导向性传输介质：

（1）无线电波：较强穿透能力，可传远距离，信号向所有方向传播，广泛用于通信领域（如手机通信）
（2）微波：信号固定方向传播，微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高，可分为两种：

• 地面微波接力通信
• 卫星通信：
  • 优点：通信容量大，距离远，覆盖广，广播通信和多址通信
  • 缺点：传播时延长（250-270ms)，受气候影响大，误码率较高，成本高

（3）红外线，激光：信号固定方向传播，把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播

七.物理层设备

1.中继器：

（1）诞生原因：由于存在损耗，线路上传输的信号功率会逐渐衰减，到一定程度时将造成信号失真导致接收错误
（2）功能：对信号进行再生(再生数字信号)和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度
（3）中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同
（4）中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据
（5）中继器两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
（6）中继器两端的网段一定要是同一个协议，因为中继器不会存储转发
（7）5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障

2.集线器(多口中继器)：

（1）功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度
（2）集线器不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备