第二章 物理层 Physical Layer

1. 通信基础
2. 两个公式
3. 传输介质
4. 物理层设备

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，【标准】
机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
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、传输速率和具体限制等。
功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途
*规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序的关系。

数据通信基础知识

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
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。
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接受数据的终点。
信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一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。

三种通信方式：

单工通信，只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅有一条信道
半双工：双方都可以发送/接受信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
全双工：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

两种数据传输方式：

串行传输：速度慢，费用低适合远距离。
并行传输：与上面的相反。

码元，波特

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同的离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号成为k进制码元，而该时长成为码元宽度。当码元的离散状态由M个时，此时码元为M进制码元。

一个码元是可以携带多个比特的信息量的。

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。

码元传输速率是指单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化次数。单位是波特（Baud）。
1波特 = 1码元/s

信息传输速率：别名信息速率、比特速率，即单位时间传输了多少个比特。

带宽：最高数据率。

失真

影响失真程度的因素：

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

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为信道带宽，单位Hz

理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog~2~V (b/s)
V代表是V进制码元

解读：

1. 在任何信道中，码元传输速率有上线，超过上限就会出现码间串扰问题.
2. 信道的频带越宽，就可以采用更高的速率进行码元的有效传播。
3. 奈氏准则没有对信息传输速率给出限制。
4. 受奈氏准则约束，要追求更高的数据传输速率就要设法使每个码元携带更高的信息量。

香农定理：
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，他的瞬时值有时会很大，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，如果信号较强，那么噪声的影响相对较小。因此，信噪比很重要。
定理：在贷款受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

极限速率=Wlog~2~(1+S/N)
W是带宽（Hz）
S是信道所传信号的平均功率，N是信道中的高斯噪声功率。
S/N是信噪比。 单位换算db = 10log~10~(S/N)

编码与调制

基带信号：来自信源的信号，如计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都是基带金浩。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号。
将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。

宽带信号：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于再信道中传输。
将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上传输（宽带传输）。

传输距离较近时一般采用基带传输。
较远时一般采用宽带传输。

数据->数字信号 编码
数据->模拟信号 调制

数字数据编码为数字信号

1. 非归零编码【NRZ】
2. 曼彻斯特编码
3. 差分曼彻斯特编码
4. 归零编码 【RZ】
5. 反向不归零编码 【NRZI】
6. 4B/5B编码

数字数据调制为模拟信号

调幅，调频、调相
调幅+调相（QAM）

模拟数据编码为数字信号
对音频信号进行编码的脉码调制PCM：步骤为抽样、量化、编码

模拟数据调制为模拟信号
电话机和本地交换机所传输的信号是采用这种方式的。

物理层的传输介质

传输媒体不是物理层：传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思，但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

导向性传输介质：

1. 双绞线：由两更采用一定规则并排绞合的，相互绝缘的铜导线组成。
   为了进一步提高电磁干扰能力，可在双绞线外面再加上一个由金属丝编织而成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP）非屏蔽双绞线英文为UTP。
2. 同轴电缆：导体为铜质电缆。还要绝缘层，网状编制屏蔽层和外套。
3. 光纤：传递光脉冲来进行通信，可见光的频率大致是10⁸MHz，因此管线通信系统的带宽远远大于其他传输介质。
   光导纤维由纤芯和包层构成。
   光纤分单模和多模两种。

非导向型传输介质：

1. 无线电波: 较强穿透能力，可远距离传输，广泛用于通信领域。
2. 微波：微波通信频率较高，频段范围宽，因此数据率很高。主要用于地面微波接力通信和卫星通信。
3. 红外线，激光：把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

物理层设备

中继器：

功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行方法，保持与原数据相同，以增加信号的传输距离，延长网络的长度。

中继器的两端两端：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，且两个网段速率要相同。

5-4-3规则：网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因此中继器只能在规定的范围内进行，缶而会网络故障。
规则为：最多不超过五个网段：最多四个网络设备，做多三个地方能连工作站。

集线器（多口中继器）：集线器不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。