# 物理层的基本概念
- 物理层考虑的是怎样才能连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
- 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
- 机械特性：指明接口所用接口器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
- 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
- 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
同轴电缆：价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体
- 基带同轴电缆 (50Ω)：数字传输，过去用于局域网
- 宽带同轴电缆：模拟传输，目前主要用于有线电缆
双绞线
- 绞合的作用
- 抵御部分来自外界的电磁波干扰
- 减少相邻导线的电磁干扰
- 绞合的作用
光纤
- 光纤的优点：
- 通信容量大（25000~30000GHz 的带宽）
- 传输损耗小，远距离传输时更加经济
- 抗雷和电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
- 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
- 体积小、重量轻
- 光纤的缺点：
- 割接需要专用设备
- 光电接口价格较贵
- 光纤的原理：
- 当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角大于入射角
- 因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯
- 光在纤芯的传输方式是不断全反射
- 多模光纤
- 由于色散 (模式、材料、波导色散)，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真 (脉冲展宽)
- 因此，多模光纤只适合近距离传输 (建筑物内)
- 发送光源：发光二极管；接收检测：光电二极管
- 单模光纤
- 没有模式色散，在 1.31 微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反，两者正好抵消
- 单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源要求高
- 发送光源：激光发射器；接收检测：激光检波器
- 光纤的优点：
电力线
非导引型传输媒体
- 无线电波
- 微波
- 红外线
- 点对点传输
- 直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
- 传输速率低
- 可见光
# 传输方式
串行、并行传输
远距离传输：串行传输
计算机内部传输：并行传输
同步、异步传输
- 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。
- 接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判断接收到的是比特 0 还是比特 1。
- 由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同。
- 在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位。因此需要采取方法使收发双方的时钟保持同步
- 收房双方时钟同步的方法
- 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
- 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输 (例如曼切斯特编码)
- 收房双方时钟同步的方法
- 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
- 字节之间异步 (字节之间的时间间隔不固定)
- 字节中的每个比特仍然要同步 (各比特的持续时间是相同的)
单工、半双工、全双工
- 单向通信（单工）
- 通信双方只有一个数据传输方向
- 双向交替通信（半双工）
- 通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行
- 双向同时通信（全双工）
- 通信双方可以同时发送和接受信息
# 编码与调制
码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形
常用编码
- 不归零编码：用正电平表示比特 1，用负电平表示比特 0（NRZ）
- 需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步
- 对于计算机网络，宁愿利用这根线传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号
- 由于同步问题，计算机网络不采用这种编码
- 归零编码（RZ）
- 每个码元传输结束后都要归零，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
- 反向不归零编码（NRZI）
- 在码元时间内不会出现零电平
- 若后一个码元时间内所持续电平与前一个码元时间内所持续的电平不同 (也称为电平反转) 则表示 0，若电平保持不变则表示 1
- 曼切斯特编码（传统以太网 10Mb/s）
- 在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变
- 负跳变表示比特 1，正跳变表示比特 0（例子）
- 码元中间时刻的跳变即表示时钟，又表示数据
- 差分曼切斯特编码（比曼切斯特编码变化少，更适合较高的传输速率）
- 在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变
- 跳变只表示时钟
- 码元开始处电平是否发生变化表示数据
基本调制方法
- 数字基带信号：原始电信号
- 高电平表示 1，低电平表示 0
- 调幅（AM）：
- 无载波输出表示 0，有载波输出表示 1
- 调频（FM）：
- 频率 F1 的波形表示比特 0，频率 F2 的波形表示比特 1
- 调相（PM）：
- 初相位为 0 度的波形表示比特 0，初相位为 180 度的波形为比特 1
使用基本调制方法，一个码元只能包含 1 个比特信息。
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
- 举例 —— 正交振幅调制 QAM
- QAM-16
- 12 种相位
- 每种相位由 1 或 2 中振幅可选
- 可以调制出 16 种码元 (波形)，每种码元可对应 4 个比特
- 码元与 4 个比特的对应关系采用格雷码
- 任意两个相邻码元只有 1 个比特不同
- QAM-16
# 信道极限容量
输入信号波形通过通信质量很差的信道时，输出端很难判断什么时候是 1，什么时候是 0。信号之间失去了码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰
失真因素：
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪声干扰
- 传输媒体质量
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
理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud
- W：信道带宽（单位为 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
- 当一个码元只携带 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
- 当一个码元携带 n 比特的信号量时，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
信道的极限信息速率还要受限制于实际的信号在信道中传输的信噪比，因此不能无限制地提高信息的传输速率
香农公式：带宽受限且由高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
c：信道的极限信息传输速率
W：信道带宽
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝作为度量单位，信噪比 (dB)=
信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高
实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少，由于各种脉冲干扰、信道在传输中衰减和失真等
综合来看：
- 在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想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
