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。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性——定义标准。
- 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。
- 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。
- 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。
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。
1. 数据通信基础知识
典型的数据通信模型
通信的目的是传送信息。
数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
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。
模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接受数据的终点。
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。三种通信方式
单工通信：只有一个方向的通信而没有反向的交互，仅需要一条信道。
- 半双工通信：双方都可以发送或接收，但任何一方不能同时发送和接收，需要两条信道。
-
两种传输方式
2. 码元、波特、速率、带宽
码元
码元是指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。当码元的离散状态有M个时，此时码元为M进制码元。
1码元可以携带多个比特的信息量。速率
速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它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。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。1Baud = 1码元/s
- 信息传输速率：别名信息速率、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）。
关系：若一个码元携带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 x n bit/s
带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。
一个码元表示两个比特
3. 奈氏准则和香农定理
失真
影响因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
-
码间串扰
信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差。
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。奈氏准则（奈奎斯特定理）
奈氏准则：有理想低通（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 Baud，W是信道带宽，单位是Hz。
只有在这两个公式用Hz。
V指有几种码元 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。
香农定理
噪声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少。因此，信噪比就很重要。
并用分贝（dB）作为度量单位，即：
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。
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。
奈氏和香农
奈氏准则 内忧
带宽受限无噪声条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限2W Baud。
要想提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术
香农定理 外患
带宽受限有噪声条件下的信息传输速率。
要想提高数据率，就要提高带宽/信噪比。4. 编码和调制
基带信号与宽带信号
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。
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。
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运输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
在距离较近时，计算机网络采用基带传输的方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
在距离较远时，计算机网络采用宽带传输的方式（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）编码与调制
数字数据编码为数字信号
非归零编码（NRZ）
高1低0
编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
- 曼彻斯特编码
将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个为高电平表示1.0相反，也可以采用相反的规定。特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号。但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。所以数据传输速率只有调制速率的1/2。
- 差分曼彻斯特编码
同1异0
常用于局域网传输，规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元相同，若为0，相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
- 归零编码（RZ）
信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
- 反向不归零编码（NRZI）
信号电平翻转表示0，不变表示1。
- 4B/5B编码
比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B编码。编码效率为80%。
数字数据调制为模拟信号
数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，反别对应调制解调器的调制和解调过程。
模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它包括三步：抽样、量化、编码。
- 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：
- 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
- 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
模拟数据调制为模拟信号
为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据；模拟的声音数据使加载到模拟的载波信号中传输的。脑图
5. 物理层传输介质
传输介质及分类
传输介质也称传输媒体/传输媒介，它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。
传输媒体并不是物理层。
传输媒体在物理层下面，是第0层。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，因此能够识别所传诵的比特流。
传输介质
双绞线
两根并排绞合、相互绝缘的铜导线
绞合可以减少怼相邻导线的电磁干扰
屏蔽（STP)/非屏蔽双绞线（UTP）
便宜；传输几公里到数十公里；
模拟->放大器；数字->中继器；
同轴电缆：
50欧同轴电缆：基带传输
70欧同轴电缆：宽带传输
抗干扰性比双绞线好
传输距离更远，价格更贵
光纤
用光导纤维传递光脉冲进行通信（有1无0）
发光二极管->全发射->光电二极管
多模（近）/单模（远）光纤
损耗小，抗雷电和电磁干扰，适合远距离传输
无串音干扰，保密性好，不易被窃听物理层设备
中继器
对衰减的信号进行再生和还原、放大
两端是网段而非子网，适用于完全相同的两类网络（速率、协议等）的互联
仅作用于信号的电气部分，不关心数据错误
5-4-3原则
四个中继器，分出五段，只能连三台。集线器
对信号进行再生、放大转发
本质是一个多端口的中继器
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