物理层

物理层

1.物理层的基本概念

1.物理层解决如何在链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介

2.物理层的主要任务：确定传输媒体接口有关的一些特性==》定义标准

（1）机械特性：

定义物理连接的特性，规定物理连接时采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。

（2）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。

（3）功能特性：

指明某条线上出现的某一电平表示何种含义，接口部件的信号线用途

（4）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。

2.数据通信基础知识

1.典型的数据通信模型

2.一个数据通信系统主要划分为信源、信道、信宿三部分

（1）信源：产生和发送数据的源头

（2）信道：信道与电路并不相同，是信号传送的媒介。一般用来表示想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。

​ 按传输信号分：模拟信道、数字信道

​ 按传输媒介：无线信道、有限信道

（3）信宿：就收数据的终点

3.通信的目的是传送消息

（1）数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列

（2）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

3.三种通信方式

通信双方研究谁做发送方，谁做接收方：

1.单工通信：

只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅仅需要一条信道

2.半双工通信：

通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道

3.全双工通信：

通信双发都可以同时发送和接受信息，需要两条信道

4.两种数据传输方式：

1.串行传输

速度慢，费用低，适合远距离

2.并行传输
速度快，费用高，适合短距离，用于计算机内部数据传输

5.码元、速率、波特、带宽

1.码元

（1）定义：码元是指用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（M大于2），此时码元称为M进制码元。

注意：M进制码元需要logM个bit表示（例如，四进制码元，表示有4中离散的状态，所以只需要2个bit，即0，1表示）

（2）一个码元可以携带多个比特的信号量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态

2.速率、波特、带宽

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。

（1）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，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲个数或信号变化的次数）；单位波特（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。

1波特 = 1码元/s

（2）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）

关系：若一个码元携带nbit的信息量，则M波特的码元所对应的信息传输速率为M*n bit/s

（3）带宽

表示单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的”最高数据率"，常用来表示网络通信线路所能传输数据的能力。单位事b/s。

3.例题

系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所传输16进制码元的通信系统传输速率较快

6.编码&调制

1.基带信号与宽带信号

信道上传送的信号分类

（1）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术语基带信号。

基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号。

（2）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，再送到模拟信道上传输（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传输

注意：

a.在传输距离较近时，采用基带传输方式，近距离衰减小，信号不容易发生变化

b.在传输距离较远时，采用宽带传输方式，远距离衰减大，计时信号变化大，也能通过模拟信号最后过滤出基带信号

2.编码与调制

1.数字数据编码为数字信号

注意：数字编码实质上是，规定0和1对应什么样的数字信号波形

1）非归零编码（NRZ）

特点：高1低0

优缺点：编码容易实现，但无检错功能，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（解决办法是额外增加一条信道，传输开始和结束信息）。

2）曼彻斯特编码

特点：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间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。（也可以采用相反的规定）每一个码元的中间出现电平跳变，位中间既作时钟信号（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。

为什么是2倍？

​ 码元被分成了两部分，所以在单位时间内，调制速率（码元传输速率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数、脉冲个数或信号变化的次数）是数据传输速率（一个时钟周期内只传输了1b）的2倍;

3）差分曼彻斯特编码

特点：同1异0

常用语局域网传输，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的电平相同，若为0，则相反。

在每个码元中间，都有一次电平跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码

4）归零编码（RZ）

特点：信号电平在一个码元内都要恢复到0

优缺点：信道使用率低，大部分时间处于低电平

5）反向不归零编码（NRZI）

特点：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1

优缺点：对于全0，信号电平一直翻转；如果全1，则接收端无法确定接收到多少个1；需要额外的信道传输时钟信号

6）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。编码效率为80%。

只采用16中对用16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留

2.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，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

3.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）；如PCM脉码调制

1）抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号编程时间上离散的信号。为了使所得的离散信号无失真地嗲表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：采样频率>2*信号最高频率

2）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，并取整数值。

3）编码：把量化的结果转为与之对应的二进制编码。

4.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，充分利用带宽资源。

7.物理层传输介质

传输介质也称为传输媒体/传输媒介，他就是数据传输心痛中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输媒体不是物理层。传输媒体在物理层下面。传输媒体不知道传输的信号的含义，但是物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流

1.导向性传输介质

电磁波被导向沿着固体媒介传播

1）双绞线（电磁波）

绞合可以减少相邻导线的电磁干扰。

屏蔽双绞线

非屏蔽双绞线

优点：价格便宜，用于局域网。通信距离一般为几公里到几十公里。距离较远时，对于模拟传输，需要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，需要用中继器将失真的信号整形。

2）同轴电缆（电磁波）

基带同轴电缆：主要用于局域网，传输基带数字信号

宽带同轴电缆：主要用于有线电视系统，传送宽带信号

同轴电缆传输距离比双绞线远，价格高

3）光纤（光脉冲）

利用光纤传递光脉冲进行通信。有光脉冲表示1，无表示0。可见光的频率大约是10^8MHZ。因此光纤通新系统的带宽远远大于其他各种传输媒体的宽度

多模光纤：适合近距离传输

单模光纤：适合远距离传输

2.非导向性传输介质

自由空间、介质可以是空气、水等。

1）无线电波：方向任意

距离远，穿透力强，用于通信领域

2）微波：信号固定

地面微波接力通信

卫星通信

3）红外线和激光：信号固定

8.类氏准则和香浓定理

1.失真

2.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：接收端接收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。（信号传输太快，码元距离过近，无法区分）

3.奈氏准则

在理想低通（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。

极限数据传输率 = 2WlogV(b/s)

V指集中码元或码元的离散电平数目

1.在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若超过此上限，则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称为不可能。

2.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。W越大，即码元的传输速率越大。

3.奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但没有对信息传输速率给出限制

4.由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以提高数据的传输速率，就必须实发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。

4.香浓定理

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小。因此信噪比就很重要。

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常计为S/N，度量单位事dB

对比，如果题目中香浓定理和奈氏准则均可计算出数据传输速率，则都计算，取较小值，如下图：

9.物理层设备

1.中继器

诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时会造成信号失真，导致接收错误

功能：对信号再生和还原，对衰减信号进行放大，保持与原数据相同，以增强信号传输的距离，延长网络的长度

中继器的两端：两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，两个网段的速率要相同。两端可连相同媒体，也可连不同媒体。两端的协议必须相同，

5-4-3规则：

网络标准中对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定范围内进行，否则会网络故障。

5：最多5个网段

4：最多4个物理层的设备

3：只有3个段可以连接计算机

2.集线器（多口中继器）

功能：再生，放大信号；延长网络距离；不具备定向传送能力，是一个共享式设备（广播）