物理层(除夕特别版)
物理层概述
物理层所要解决的问题
在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异
物理层协议的主要任务
机械特性：接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置
电气特性：在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
功能特性：某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
物理层下的传输媒体
导引型传输媒体
在导引型传播媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播
同轴电缆
电缆各层都是同轴心的，因此称同轴电缆
基带同轴电缆(50Ω \OmegaΩ)：数字传输，过去用于局域网
宽带同轴电缆(75Ω \OmegaΩ)：模拟传输，目前主要用于有线电视
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
双绞线
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定规则绞合起来就构成了双绞线，这是一种古老且常用的传输媒体
无屏蔽双绞线UTP电缆，可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
屏蔽双绞线STP电缆，其与UTP相比增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰能力
光纤
光纤很细，因此必须将其做成结实的光缆。一根光缆少则一根光纤，多则可包括数百根
纤芯直径
多模光纤：50微米，62.5微米
单模光纤：9微米
纤芯外包层：125微米
工作波长
0.85微米(衰减较大)
1.30微米(衰减较小)
1.55微米(衰减较小)
电力线
非导引型传输媒体/自由空间
无线电波
低频和中频频段用地面波传播
高频和甚高频靠电离层（地球上方100~500千米高空的带电离子层）反射
微波
直线传播，可以穿透电离层进入宇宙，因此其不能通过电离层反射到很远的地方
地面100米发射塔，最大视距LOS传输距离为100km
地球同步卫星
低轨道卫星
红外线
点对点无线传输
直线传播，中间不能有障碍物，传输距离短
传输速率低(4Mb/s~16Mb/s)
可见光
光源作为信号源，前景好，暂时未被大范围应用
无线电频谱管理机构
中国：工业和信息化部无线电管理局（国家无线电办公室）
美国：联邦通讯委员会FCC
ISM（Industrial Scientific Medical）频段
传输方式
串行传输和并行传输
串行传输：
比特一个接一个在一根传输线上进行传输
适合远距离传输
计算机网络使用这种传输
并行传输：
多个比特同时在多根传输线上传输。
成本高，不适合远距离传输
计算机内部采用这种传输
同步传输和异步传输
同步传输：
比特一个接一个传输，中间没有间隔，各比特持续时长相等
需要收发双方时钟同步
外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
外同步：发送端将时钟同步信息编码到发送数据中一起传输（如曼切斯特编码）
异步传输：
以字节为单位进行传输，字节之间的间隔不固定，每个字节内的比特持续时长相等
需要给每个字节添加起始位和结束位
单工，半双工，全双工传输
单工：单向通信（如广播）
半双工：双向交替通信，不能同时（如对讲机）
全双工：双向同时通信（如电话）
编码与调制
数据通信中的常用术语
消息：需要计算机处理的文字，图片，音频，视频等
数据：运送消息的实体，计算机只能处理二进制数据
信号：数据的电磁表现
基带信号：来自信源的原始电信号
计算机内部，CPU与内存之间传输的是数字基带信号
麦克风采集到声音后产生音频信号/模拟基带信号
编码
数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传播，如传统以太网（10Mb/s）使用曼切斯特编码，4B/5B，8B/10B
模拟信号转换为数字信号，在数字信道中传播，如对音频信号进行编码的脉码调制PCM
常用编码：
不归零编码：整个码元内不出现零电平，存在同步问题，需要额外一根传输线来传输时钟信号
归零编码：每个码元传输结束后信号都要归零，是”自同步“信号
曼切斯特编码：码元中间时刻进行电平跳变，即表示时钟，也表示数据，正负跳变表示1或0可自行定义
差分曼切斯特编码：码元中间时刻发生电平跳变，跳变仅表示时钟，码元开始处电平是否跳变表示数据。比曼切斯特编码变化少，更适合较高的传输频率。
调制
数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传播，如WIFI，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分复用OFDM等调制方法
模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传播，如语音数据加载到模拟的载波信号中传输；频分复用FDM技术，充分利用带宽资源
基本调制（二元制）：
调幅AM，调频FM，调相PM
混合调制（多元制）：
正交振幅调制QAM：将相位与振幅进行混合调制，
12种相位，每种相位有1或2种振幅
可调制出16种基本波形，每种波形表示4个比特
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
一段调制好的基本波形，可以表示比特信息
信道的极限容量
造成信号失真的因素
码元传输速率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量
奈式准则
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= 2 W Baud = 2 W 码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud = W 码元/秒
波特率与比特率的关系：
码元传输速率=波特率=调制速率=波形速率=符号速率
一个码元只携带1比特信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上相等
一个码元只携带n比特信息量时，波特率转换成比特率数值要乘n
注意事项：
实际的信道所能传输的最高码元速率要明显低于奈式准则给出的上限值
要提高信息传输速率，必须设法使每一个码元携带更多比特的信息量
并不是无限制提高每个码元携带的比特数量就可以1无限制提高信息传输速率，信道极限信息传输速率还受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比
香农公式
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
c = W*log2(1+S/N)
c：信道的极限信息传输速率（b/s）
W：信道带宽（Hz）
S：信道内所传输信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比（dB）=10*log10（S/N）
信噪比越大，信息的极限传输速率越高