物理层基本概念
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数据比特流，而不是指具体的 传输媒体。
物理层的作用：要尽可能地屏蔽掉不同传输媒 体和通信手段的差异
用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。
物理层的主要任务
确定与传输媒体的接口的一些特性 ：

  1. 机械特性 ：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线 数目和排列、固定和锁定装置等。
  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。


    物理层数据通信的基础知识
    数据通信系统的模型 ：
    一个数据通信系统包括三大部分：源系统（或发送端、发送方）、 传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。
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    通信方式：信道

    信道 ： 一般用来表示向某一个方向传送信息 的媒体。
    根据信息在传输线上的传送方向，分为以下三种通信方式：

  • 单向通信（单工通信）——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（半双工通信）——通信的双方 都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也 就不能同时接收)。

  • 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方 可以同时发送和接收信息。

    有关信道的几个基本概念

  • 基带信号（即基本频带信号）—— 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。

    基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有 直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分 量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制 (modulation)。

  • 调制分为两大类

1、 基带调制：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够 与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。 把这种过程称为编码 (coding)。
2、 带通调制：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号， 这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频 率范围内能够通过信道） 。

常用编码方式

  • 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。  归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
  • 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0， 位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定 义。
  • 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都 有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边 界没有跳变代表 1

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从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Manchester) 编码和差分曼彻斯特编码产生的 信号频率比不归零制高。 从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形 本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步 能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码 具有自同步能力。

基本的带通调制方法

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有 直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分 量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对 基带信号进行调制 (modulation)。
最基本的二元制调制方法有以下几种 ：

  1. 调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
  2. 调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
  3. 调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时 会产生各种失真以及带来多种干扰。 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远， 或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重 ：
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限制码元在信道上的传输速率 的因素有以下两个：
信道能够通过的频率范围 信噪比

信道能够通过的频率范围

奈氏准则
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的， 否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码 元的判决（即识别）成为不可能。
如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号 高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送 码元而不出现码间串扰。
香农公式
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极 限、无差错的信息传输速率（香农公式）。 image.png
公式表明：
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。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就 一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道 不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也 就没有上限。
实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限 传输速率低不少。

物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是 数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理 通路。
传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和 非导引型传输媒体。

  • 在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体 媒体（铜线或光纤）传播。
  • 非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引 型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

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导引型传输媒体：
双绞线
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同轴电缆
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光缆
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光纤优点
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信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。 它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。
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频分复用、时分复用和统计时分复用

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时分复用可能会造成线路资源的浪费
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波分复用 WDM

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码分复用 CDM

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数字传输系统

与模拟通信相比，数字通信无论是在传输质量上还是 经济上都有明显的优势。
目前，长途干线大都采用时分复用 PCM 的数字传输方 式。
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