1. 物理层概念

  • 物理层的定义
    • ISO/OSI：物理层提供机械的、电气的、功能的和规程的特性，目的是启动、维护和关闭数据链路实体之间进行比特传输的物理连接。这种连接可能通过中继系统，在中继系统内的传输也是在物理层的
  • 物理层的功能
    • 在两个网络设备之间提供透明的比特流传输
  • 研究内容 - 重点掌握
    • 物理接口与介质
    • 信号编码与数据传输
    • 带宽与极限定理

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1.1 数据传输方式

  1. 单工数据传输只支持数据在一个方向上传输;
  2. 半双工数据传输允许数据在两个方向上传输，但是，在某一时刻，只允许数据在一个方向上传输，它实际上是一种切换方向的单工通信;
  3. 全双工数据通信允许数据同时在两个方向上传输，因此，全双工通信是两个单工通信方式的结合，它要求发送设备和接收设备都有独立的接收和发送能力。

1.2 并行传输和串行传输

  • 并行传输（parallel）：至少有8位数据同时传输，计算机内部的数据多是并行传输
  • 串行传输（serial）：距离较远的情况下，每次由源到目的传输的数据只有一位。成本因素，远距离通信一般采用串行传输技术

1.3 物理链路

  • 物理链路：两个物理接口之间的一切（协议、规程、软硬件）

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  • 数据终端设备（DTE，data terminal equipment）
    • DTE必须包含：输入/输出 + 传输控制。一般是键盘显示器、手机、计算机等
  • 数据电路终接设备（DCE，data circuit-terminating equipment）
    • 是数据终端与通信线路之间的连接设备，相当于通信线路的终端，如 Modem
    • 为用户终端提供信号的变换与编码功能以及建立、维持和释放通信线路的功能

2. 物理层的基本特性

  • 机械特性：规定接口所使用的连接器技术规格，如形状、尺寸
  • 电气特性：接口电缆的各条线上出现的电压范围，用多少伏特的电压代表 “1”和“0”等
  • 功能特性：某一电压表示何种含义，具体定义功能划分：数据、控制、定时和接地
  • 规程特性：主要定义各条物理线路的工作规程和时序关系，即不同功能出现的顺序

2.1 基本概念

  • 信号：数据的电气或电磁的表现
  • 信息：信号的具体内容，有语义的数据。信息的基本作用就是消除人们对事物的不确定性
  • 数据：信息的表现形式，是事实或观察的结果和记录。是用于表示客观事物的未经加工的原始素材
  • 传输：通过数据的传播和处理进行数据通信

2.2 模拟信号和数据信号

  • 模拟信号：连续的
  • 数据信号：离散的

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  • 传输

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2.3 数据编码技术

  • 研究数据在信号传输过程中如何编码（变换）
  • 数据的数字传输（基带传输）
  • 基带：基本频带：指传输变换前所占用的频带，是原始信号所固有的频带
  • 频带：对基带信号调制后所占用的频率带宽
  • 基带传输：在传输时直接使用基带信号
    • 基带传输是最简单基本的传输方式，一般用低电平表示0，高电平表示1，适用于低速和高速的各种情况
    • 限制：基带信号所带的频率成分很宽，对时钟要求高，所以对传输线有一定要求

2.4 常用的集中编码方式

  • 不归零制码：NRZ
    • 用两种不同的电平分别表示二进制信息“0”和“1”， 低电平表示“0”，高电平表示“1
  • 归零码
    • 码元中间的信号回归到 0电平，因此任意两个码元之间被0电平隔开
  • 曼彻斯特码
    • 每一位中间都有一个跳变，从低跳到高表 示“0”，从高跳到低表示“1”
  • 差分曼彻斯特码
    • 每一位中间都有一个跳变，每位开始时 有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。位中间跳 变表示时钟，位前跳变表示数据

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3. 数据的传输

  • 数字信号通过实际的信道会有失真

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3.1 数字信号 -> 模拟信号

  • 频带传输：指在一定的频率范围内的线路上，进行载波传输。通过调制，使其变为适合于线路传送的信号。
    • 优点：可以利用现有的模拟信道通信，价格便宜，容易实现
    • 调制：用基带脉冲对载波信号的某些参量进行控制，使这些参量随基带脉冲变化
    • 调制解调器Modem

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3.1.1 调幅 ASK

  • 载波的振幅随着基带数据信号而变化

3.1.2 调频 FSK

  • 载波的频率随基带数字信号而变化

3.1.3 调相 PK

  • 载波的初始相位随基带数字信号而变化

3.2 正交调制QAM

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3.3 模拟信号 -> 数字信号

  • 采样定理：如果在规定的时间间隔内，以高于两倍最高有效信 号频率的速率对信号f(t)进行采样的话，那么这些 采样值包含了原始信号的全部信息。利用低通滤波 器可从这些采样中更新构造出函数f(t)。
  • 在采样频率要大于信号最高频率的2倍，才能无失真的保留信号完整信息
    • 脉冲编码调制(PCM，Pulse Code Modulation)
    • 增量调制Delta modulation (DM

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3.3.1 脉冲编码调制 （PCM，Pulse Code Modulation）

  • 量化
    • 量化：把样值信号的无限 多个可能的取值， 近似地用有限个数 的数值来表示
    • 量化级：把样值信号的瞬时幅度分 成许多度量单位，一个度 量单位称为一个量化级， 用量化级的大小来表示瞬 时样值
    • 量化误差：量化值与原样值的幅度差别

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  • 编码
    • 编码
      • 编码处理使离散的量 化样值成为合适的二 进制数字码组
    • 解码
      • 把数字信号码组变换 成相应的电压或电流 量，恢复成原量化的 样值信号
    • 实现
      • 在二进制码中，由n位代码可组成2n个不同的码字， 表示量化信号可有2n个不同的数值。 n越大，在相同的编码信号范围内，其量化就愈精 细

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4. 传输速率相关定理

4.1 奈式（Nyquist）准则

  • 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2H Baud
  • H 是理想低通信道的带宽，单位为赫兹Hz
  • 最大比特速率 = 物理层 - 图12
  • Baud 是波特，是码元传输速率的单位。1 Baud 为每秒传送一个码元（信息载体）
    • 码元传输速率（波特率）也称为调制速率、波形速率，单位时间内载波调制状态变化的次数
    • 比特是信息量的单位
  • V 表示一共有几种码元

4.2 香农定理

  • 信道极限信息传输速率C可表达为

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  • W 为信道的带宽，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

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4.3 多路复用

  • 为了提高信道利用率，使多路信号沿 同一信道传输而互不干扰的技术

4.3.1 频分多路复用 FDM

  • 在介质上同时传输多路信号，每路信号以不同的载波频率进 行调制，而且各个载波频率完全独立，即载波形成的信号不 互相重叠，则各路信号可以成功地在介质上传输

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4.3.2 波分多路复用 WDM

  • 和频分多路复用没有多大区别，因为对于光来说频率与波长是对应的

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4.3.3 时分多路复用

  • 以时间作为分割信号的依据。它利用每个信号在时间上 交叉，可在一个传输通路上传输多个数字信号(或运载数 字数据的模拟信号)

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  • 同步TDM：为每一个时隙固定一个源，即使没有数据，也会发送
  • 统计TDM：重复扫描直至帧已满，再发送，没有时隙空空余

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4.3.4 码分复用

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5. 通信同步技术

  • 同步通信要求接收端时钟频率和发送端时钟频率一 致。发送端发送连续的比特流。
  • 异步通信时不要求接收端时钟和发送端时钟同步。 发送端发送完一个字节后，可经过任意长的时间间 隔再发送下一个字节。

5.1 异步方式

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5.2 同步方式

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5.3 同步传输

  • 面向字节协议

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  • 面向比特协议

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