概述
- 在物理传输介质之上为“数据链路层”提供一个原始比特流的物理连接
- 物理层 并不是特指某种传输介质，而是指通过传输介质，以及相关的通信协议、标准建立起来的物理线路
- 主要作用：
- 构建数据通路
- 一次完整的数据传输，包括激活物理连接、传送数据、终止物理连接三个主要阶段
- 在通信的两个数据终端设备间都要在电气上连接起来
- 透明传输
- 需要物理层具有屏蔽不同传输介质类型和通信协议的功能
- 传输数据
- 将比特流按顺序传输
- 数据编码
- 确保数据比特流能在对应的“信道”中正常通过，这就涉及“物理层”的数据编码功能
- 数据传输管理
- 一定的流量控制，差错控制等能力
- 构建数据通路
定义的特性
基本模型
- 源系统
- 产生要传输的数据的计算机
- 对要传送的数据进行编码或者调制的设备，调制解调器，网卡等
- 传输系统
- 通信链路 以及 结点设备等
- 目的系统
- 同源系统
- 源系统
- 数据
- 传输的数据包括 模拟信号和数字信号，可以相互转换
- “模拟数据”的大小一般是以时长为依据的，而“数字数据”是以各种容量为单位的
- 信号
- 信号”是“数据”在传输过程中电信号或光信号的表示形式，
- “数据”有“模拟数据”和“数字数据”两种类型，所以信号也有“模拟信号”和“数字信号”两种
- 信道
- ”就是通信双方物理链路上通过物理层协议建立起来的数据传输通道
- 一般情况下，一条传输介质就一条信道，也就是同一时刻只有一路通信，采用“信道复用”技术实现在一条介质上划分多个信道
- 数据传输类型
- 信源信号 通过 编码成为 离散的二进制信号
- 用离散的波形代替二进制信号，可以进行传输
- 直接传输
- 调制到载波上传输
- 直接传输，即 基带传输，即没有经过调制的原始电信号固有的频带（频率带宽）
- 特点是频率较低，信号频谱是从零频率的直流成分开始的
- 由于在近距离传输范围内基带信号的衰减不大，从而信号内容不会发生变化。因此在传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输类型，局域网多用
- 调制后传输， 即 频带传输
- 根据原始电信号的特征，基带（或频带）信号可分为数字基带（或频带）信号和模拟基带（或频带）信号
- 广域网多用
- 可以利用高频率的信号来调制低频率信号，以实现同步传输，也提高了信道利用率
- 由于频率较高，适合远距离传输
- 还可以用高频率调制 多种同步的低频信号，实现同步传输
- 在频带传输的基础上，通过 信道复用 ，形成多个信道， 即 宽带 传输
- “宽带”（Broadband）就是采用比音频（4kHz）更宽的频带
- 将一个信道分成多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号，而且宽带传输中的所有子信道都可以同时发送信号
- 频带， 即频率带宽， 一个信号的 最高频率 - 最低频率
- 信号传输系统
- 数字基带信号传输系统
- 数字频带信号传输系统
- 数据传输方式
- 串行传输
- 只需要一条传输信道
- 传输速度比较慢
- 存在字符同步（也就是如果识别一个字符包括哪几个比特位）的问题
- 典型代表有计算机串行接口，RS-232，USB，SATA等
- 并行传输
- 以一组或者整个字符的方式在多条并行信道上同时传输
- 常用的就是将构成一个字符代码的8位二进制码，分别在8个并行信道上进行传输
- 典型代表有 打印机，磁盘ATA，CPU和其他芯片的传输
- 串行传输
- 传输模式（仅针对串口通信）
- 背景
- 字符同步在串行数据通信中同步问题十分关键，发送端一位一位地把信息通过介质发往接收端，接收端必须识别信息的开始和结束，而且必须知道每一位的持续时间
- 同步传输
- 通信双方在传输过程中是同步进行的
- 同步的前提， 就是双方有相同的时钟参考
- 同步传输是一种以数据块为传输单位，一块约为500字节
- 异步传输
- 每个字符之间是异步的，但一个字符内的每一位还是同步的（内同步，附带同步信号）
- 效率低
- 在“异步传输”中，发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方从不知道它们会在什么时候到达，故不需要同时开始接收
- 需要约定相同的传输速率，以实现位同步
- 适合 慢速 和 不固定频率的字符传输， 如 键盘
- 被发送的比特组需进行排队等候
- 背景
- 通信方式
- 单工
- 只能单向
- 半双工
- 可以双向 但不能同时 （类似于潮汐车道）
- 双工
- 可以同时双向
- 一个以太网端口的工作模式有：10Mbps半双工、10Mbps全双工、100Mbps半双工、100Mbps全双工、1000Mbps全双工和自动协商这么几种
- 单工
数据传输速率与信道带宽
- 传输速率（实际）
- 在一条信道中，单位时间内传输的信息量，数据传输速率可用比特率或波特率来表示。
- 比特率
- 针对数字信号，单位时间传输的位数 bit/s , bps
- 波特率
- 数字信号对载波的调制速率
- 单位时间内载波参数（如频率、相位等）变化的次数
- 信道带宽（理想化）
- 带宽”是指信道中每秒传输的最大信息量，理想状态下的 传输速率
- 数字信号不失真传输的最大传输速率限制
- 对于 数字信号，可以允许接收波形失真，只要不影响正确恢复信号编码即可
- 数字信号传输中，就需要对信号传输速率进行限制
- 对于 模拟信号，要求波形不失真
- 需要对由模拟信号转换成数字信号过程中的采样频率进行限制
- 对于 数字信号，可以允许接收波形失真，只要不影响正确恢复信号编码即可
- 信号传输速率准则
- 背景
- 数字信号（原始信号）频带很宽，电缆传输信道只允许比较低的频率成分通过理想低通信道，高频成分将被滤去，这就造成了输出波形的失真
- 理想“低通信道”是指只要信号频率不超过某个上限值都能够不失真地通过此信道
- 要使信道中传输的数字信号不失真，信道中的数据传输速率必须限制在某个范围之内
- 奈奎斯特准则
- 如 低通信道带宽为2000Hz时，最高码元传输速率就为4000 Baud（波特率）
- 香农公式
- 在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，最大数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系如下所示：
- Rmax＝B×log2(1+S/N) （ 4-4）
- 在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，最大数据传输速率Rmax与信道带宽B、信噪比S/N的关系如下所示：
- 背景
- 模拟信号不失真还原的最小采样频率限制
- 在计算机设备中只能接收数字信号，如果信道中传输模拟信号， 需要进行 数模转换
- 数模转化 涉及到两点：
- 其一是采样，这一过程将连续时间信号转换为离散时间信号
- 其二是信号的重建，这一过程是将离散信号还原成连续信号
- 如果已知信号的最高频率fH，就可以得出保证完全重建信号的最低采样频率是2fH
数字基带信号编码
- 矩形脉冲数字信号基本波形
- 单极性不归零波形、单极性归零波形、双极性不归零波形、双极性归零波形
- 单极性： 正为1 0为 0 、
- 双极性： 正为1 负为 0
- 归零码：，只需要把“1”码的脉冲电平在其码元宽度内（通常是在1/2个码元时）从正电平或负电平回归到零电平，一直持续到该码元结束
- 在双极性归零码中永远不会出现任何两个码元电平的连续
信息码在进行传输之前，必须经过码型变换，变换为适用于信道传输的码型，这就是通常所说的传输码，也称线路码或信道编码。
调制
- 用一种“能量大”的信号承载另一种“能量小”的信号进行传播、传输 （低频信号能量小，容易衰减）
- 通过被承载信号的有关特性来决定载波信号的幅度、频率或者相位
- 调幅 ASK
- 调频 FSK
- 调相 PSK
- 调制信号
- 用于对载波信号中某个参数进行特性控制，使其按照自己的对应参数特性变化的信号，以便在接收端可以根据这个被控制的特性还原出原始的调制信号。
- 载波
- 用来载送有用低频调制信号的信号波，通常是一种高频信号。通过调制技术就可以把调制信号和载波信号进行叠加
- 解调
- 是从已调信号中通过某种技术（如低通滤波器等）恢复出原来调制信号的过程
物理层传输介质
- 导向性传输介质
- 双绞线
- STP，UTP （屏蔽双绞线 和非屏蔽双绞线。区别在于是否金属箔进行屏蔽包裹）
- 同轴电缆
- 光纤
- 在光纤的一端放上光源，另一端放上检测器，就构成了一个单向光传输系统
- 双绞线
- 非导向性传输介质
- 短波无线传输
- 地面微波接力通信
- 卫星通信
信道多路复用技术
- 一条信道只传输一路信号，这就有可能造成信道带宽资源的浪费，如在某路信号传输所需的带宽严重低于信道带宽时
- 我们可以把一条高带宽的信道划分成多条小带宽的子信道，就可以在一条信道上同时进行多路低带宽需求的信号传输
- 信道复用 就是 多路信号共用原来这一条信道进行数据传输
- 在发送端有对应的“复用器”，而在接收端又有对应的“分用器”
- 这些信道复用技术主要有：
- 频分复用
- 出于单一数据传输过程中可能占用不了整条信道完整带宽，浪费了信道带宽资源的考虑的
- 如有一个频带宽度（也就是信道带宽）为（1～10）MHz的信道，现在如果要划分成4个子信道，则可划分为（1～2.5）MHz、（2.52～5.0）MHz、（5.02～7.5）MHz、（7.52～10.0）MHz。
- 时分复用
- 出于单用户数据传输过程中不可能总有数据传输，通信过程中肯定会存在无数据传输的空闲时段的考虑的
- 该技术把整个数据通信过程划分成一个个小的时间段（称之为“时间片”）
- 波分复用
- 波分复用（WDM）是光信号中的频分复用技术，又称光波分复用
- 在单条光纤上同时发送多束不同波长激光的技术
- 因为不同波长的光波对应的工作频率也不一样
- 码分复用
- 略
- 频分复用
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