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一、思维导图
二、物理层的基本概念
1. 物理层所要解决的问题
物理层考虑的是怎样才能在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使什么。
2. 物理层协议的主要任务
- 机械特性：指明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：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。
三、物理层下面的传输媒体
1. 导引型传输媒体
在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。
- 同轴电缆
1.基带同轴电缆（50欧） 用于数字传输，过去用于局域网，现在局域网领域采用双绞线
2.宽带同轴电缆（75欧） 用于模拟传输，目前主要用于有线电视
- 双绞线
绞合的作用：
1.抵御部分来自外界的电磁干扰
2.减少相邻导线的电磁干扰
目前的家用以太网，最低应选用超5类（5E）双绞线
屏蔽双绞线比非屏蔽双绞线具有更好的抗干扰性能，但价格也更贵。
-
光纤
- 多模光纤
光在多模光纤中不断全反射向前传输，由于色散问题，光在多模光纤会产生脉冲展宽的问题
1.多模光纤只适用于近距离传输（建筑物内）
2.多模光纤对光源要求不高。可采用便宜的发光二极管作为光源。相应的，可采用光电二极管来检测光脉冲。
- 单模光纤
单模光纤的直径仅一个光波的波长。光在其中一直向前传播而不发生全反射。
1.单模光纤没有脉冲展宽问题
2.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。
3.必须使用昂贵的激光发生器作为光源。相应的，需要使用激光检波器来检测光脉冲。
- 电力线
并不是新技术（上个世纪20年代就出现了）
对于家用或小型企业，只有在无法或不愿布网线的情况下采用。
2. 非导引型传输媒体
非导引型传输媒体是指自由空间。
- 电信领域使用的电磁波的频谱
- 无线电波
低频LF和中频MF频段，使用地面波传输
高频HF和甚高频VHF频段，依靠电离层的反射进行传输
- 微波
直线传播，可以穿透电离层
地面100米发生塔，最大视距LOS传输距离为100公里
地球同步卫星
低轨道卫星
- 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（4Mb/s ~ 16Mb/s）
笔记本电脑上已经淘汰
- 可见光
LiFi比WiFi具有更高的传输速率
目前还在实验研究阶段
四、传输方式
1. 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，计算机网络采用这种传输。
- 并行传输
多个比特同时在多根传输线上传输。不适合远距离传输，成本太高。计算机内部采用这种传输。
2. 同步传输和异步传输
- 同步传输
比特一个接着一个传输，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，有两种方法：
1、外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
2、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（例如曼彻斯特编码）。
- 异步传输
以字节为单位进行传输，字节之间的间隔不固定，但每个字节内的比特持续时长是相等的。
换句话说，字节间异步，比特间仍是同步的。为此，需要给每个字节添加起始位和结束位。
3. 单工、半双工以及全双工传输
- 单工
单向通信，例如广播。
- 半双工
双向交替通信（不能同时），例如对讲机。
- 全双工
双向同时通信，例如电话。
五、编码与调制
1. 数据通信中的常用术语
- 消息
需要计算机处理的文字、图片、音频以及视频等统称为消息。
- 数据
数据是运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据。
- 信号
信号是数据的电磁表现。
基带信号
来自信源的原始电信号称为基带信号。
数字基带信号
例如在计算机内部，CPU与内存之间所传输的信号。
模拟基带信号
例如，麦克风采集到声音后所产生的音频信号。
2. 编码
- 数字信号转换为另一种数字信号
在数字信道中传输
例如，以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码。
- 模拟信号转换为数字信号
在数字信道中传输
例如，对音频信号进行编码的脉码调制PCM。
-
常用编码
- 不归零编码
在整个码元时间内不会出现零电平
存在同步问题，需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。
对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。
- 归零编码
每个码元传输结束后信号都要“归零”，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。
- 曼彻斯特编码
在码元中间时刻发生电平跳变，既表示时钟，也表示数据。
正跳变表示1或0，负跳变表示0或1，可自行定。
传统以太网（10Mb/s）使用该编码。
- 差分曼彻斯特编码
在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发生变化表示数据。
比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。
- 整体比较
3. 调制
- 数字信号转换为模拟信号
在模拟信道中传输
例如WiFi，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分复用OFDM等调制方式。
- 模拟信号转换为另一种模拟信号
在模拟信道中传输
例如，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）
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调幅AM
所调制的信号由两种不同振幅的基本波形构成。
每个基本波形只能表示1比特信息量。
-
调频FM
所调制的信号由两种不同频率的基本波形构成。
每个基本波形只能表示1比特信息量。
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调相PM
所调制的信号由两种不同初相位的基本波形构成。
每个基本波形只能表示1比特信息量。
-
整体比较
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4. 混合调制（多元制）
例如，将相位与振幅进行混合调制的正交振幅调制QAM。
QAM16可以调制出12种相位，每种相位有1或2个种振幅可选。
可以调制出16种基本波形，每种波形可以对应表示4个比特。
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频率和相位混合
-
b.相位和振幅混合
混合调制举例（QAM）
5. 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。
简单来说，码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。
六、信道的极限容量
1. 造成信号失真的因素
- 码元传输速率
- 2️⃣信号传输距离
- 3️⃣噪声干扰
- 4️⃣传输媒体质量
2. 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 = 2W 码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率=W Baud = W 码元/秒
- 理想低通信道的最高码元传输速率
2W Baud = 2W 波特 = 2W 码元/秒
其中，W为信道带宽，单位是Hz。
- 理想带通信道的最高码元传输速率
W Baud = W 波特 = W 码元/秒
其中，W为信道带宽，单位是Hz。
- 波特率与比特率的关系
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。它与比特率有一定的关系。
当1个码元只携带1比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上时相等的；
当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n。
- 注意事项
实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限值。这是因为实际信道还会受到其他很多因素干扰（例如噪声干扰、信号衰减、传输媒体质量等）。
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。
并不是无限制提高每个码元携带的比特数量，就可以无限制地提高信息的传输速率。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。
3. 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。
- 信道的极限信息传输速率
c = W x log2 (1 + S/N)
c：信道的极限信息传输速率（单位为b/s）
W：信道带宽（单位为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，使用分贝（dB）作为度量单位。信噪比(dB) = 10 x log1(S/N)(dB)
- 注意事项
在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。这是因为在实际信道中，信号还要收到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。
信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
4. 奈氏准则和香农公式的意义
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。
