物理层

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比特流
• 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

  物理层协议的主要任务

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。
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。

   物理层下面的传输媒体

   导引型传输媒体(了解)

5. 同轴电缆

基带同轴电缆：数字传输，过去用于局域网
宽带同轴电缆：模拟传输，目前用于有限电视

1. 双绞线

绞合的作用：1.抵御部分来自外界的电磁波干扰 2.减少相邻导线的电磁干扰

1. 光纤

光纤的优点：

1. 通信容量大（25000~30000GHz的带宽）
2. 传输损耗小，远距离传输时更加经济
3. 抗雷电和电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
4. 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
5. 体积小，重量轻

光纤的缺点

1. 切割需要专用设备
2. 光电接口较贵

1. 电力线

非引导型传输媒体(了解)

1. 无线电波

1. 微波

微波在空间主要是直线传播

1. 红外线

1. 可见光

传输方式

串行传输

串行传输是指数据一个比特一个比特的依次发送的

并行传输

一次发送n个比特，在发送端和接受端之间需要有n条传输线路，速度为串行传输的n倍，但成本高

同步传输

数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔

异步传输

以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

单向通信(单工)、双向交替通信(半双工)、双向同时通信(全双工)

编码与调制

传输媒体包含发送信道和接受信道

常用编码

1. 不归零编码：整个码元时间内，不会出现零电平。

接受端如何判断这是多个码元：需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接受方同步。

1. 归零编码：每个码元传输结束后都要归零。

• 每个码元传输结束后信号都要“归零”，所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。
• 实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称之为“自同步”信号。
• 但是，归零编码中大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。

1. 曼彻斯特编码：在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变，例如，负跳变表示比特1，正跳变表示比特0，码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。

1. 差分曼彻斯特编码：跳变仅表示时钟，码元开始处电平是否发送变化表示数据。

基本调制方法

混合调制：
因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。
通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

信道的极限容量

奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
W：信道带宽（单位Hz）
Baud：波特，即码元/秒

• 码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系：
  • 当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的
  • 当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n
• 要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制
• 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。

香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

• 在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，想要提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。
• 自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。