第二章 物理层
第二章 物理层
2.1 物理层基本概念
物理层解决如何在连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体。主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。
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机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
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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。
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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。
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规程（过程）特性：定义各条物理线路的各种规程和时序关系。
2.2 数据通信基础知识
2.2.1 典型的数据通信模型
2.2.2 数据通信相关术语
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。
数字信号：代表信息的参数取值是离散的。
模拟信号：代表信息的参数取值是连续的。
信源：产生和发送数据的源头。
信宿：接收数据的终点。
信道：信号的传输媒体。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受信道。
2.2.3 三种通信方式
1、单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，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：通信双方都可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
2.3 码元、速率、带宽
2.3.1 码元
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），此时码元为M进制码元。
1码元可以携带多个比特的信息量
2.3.2 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。
码元传输速率（码元速率、波形速率、调制速率、符号速率）：表示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的次数），单位时波特（Baud）。
信息传输速率（信息速率、比特率）：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），单位是比特/秒（b/s）
关系：若一个码元携带nbit的信息量，则M
Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M·n bit/s
2.3.3 带宽
带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另外一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。
2.4 奈氏准则和香农定理
2.4.1 失真
2.4.2 奈氏准则（奈奎斯特定理）
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。
理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2v(b/s)，W:带宽；v:几种码元/码元的离散电平数目
1、在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就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成为不可能。
2、信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
3、奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并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，所有要提高数据的传输速率，就必须设法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。
2.4.3 香农定理
信噪比 = 信号的平均功率 /
噪声的平均功率，常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位，即：
信噪比（dB）= 10log10(S/N)
香农定理：在带宽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。
信道的极限数据传输速率 = Wlog2（1 + S/N）（b/s）
1、信道的带宽或信道的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2、对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3、只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方式来实现无差错的传输。
4、香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5、从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。
2.5 编码与调制
2.5.1 信号
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。
基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。基带信号就是放出的直接表达了要传输的信息的信号。
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，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，白信号的频率范围搬移到较高的频段以便再信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。
2.5.2 数字数据编码为数字信号
1、非归零编码（NRZ）：信号电平的一次反转代表1，电平不变化表示0，并且在表示完一个码元后，电压不需回到0
2、曼彻斯特编码：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。
3、差分曼彻斯特编码：同1异0。常用于局域网传输，其规则：若码元为1，则前半码元的电平与上异构码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。
4、归零编码（RZ）
5、反向不归零编码（NRZI）
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。
2.5.3 数字数据调制为模拟信号
数字数据调制技术再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。
2.5.4 模拟数据编码为数字信号
1、抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采用定理进行采样：f(采样频率)
>= 2f(信号最高频率)
2、量化：把抽样取得的电平值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就是把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
3、编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。
2.5.5 模拟数据调制为模拟信号
为实现传输的有效性，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。
2.6 物理层传输介质
2.6.1 传输介质及分类
传输介质（传输媒体或传输媒介）：数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。
分类：[1]、导向性传输介质——电磁波被导向沿着固体媒介传播；[2]、非导向性传输介质——自由空间
2.6.2 导向性传输介质
双绞线
同轴电缆
光纤
光纤的特点：
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传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
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抗雷电和电磁干扰性能好。
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无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
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体积小，重量轻。