02-物理层
02-物理层
2.1 物理层的基本概念
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是什么
传输媒体包括导引型传输媒体和非导引型传输媒体
导引型传输媒体
双绞线
同轴电缆
光纤
非导引型传输媒体
微波通信（2~40GHz）
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
2.2 物理层下面的传输媒体
导引型传输媒体
同轴电缆
基带同轴电缆（50Ω）：数字传输，过去用于局域网
宽带同轴电缆（75Ω）：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
绞合的作用
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
| 绞合线类别 | 带宽 | 线缆特点 | 典型应用 |
|---|---|---|---|
| 3 | 16MHz | 2对4芯双绞线 | 模拟电话；曾用于传统以太网（10Mbit/s） |
| 4 | 20MHz | 4对8芯双绞线 | 曾用于令牌局域网 |
| 5 | 100MHz | 与4类相比增加了绞合度 | 传输速率不超过100Mbit/s的应用 |
| 5E(超5类)) | 125MHz | 与5类相比衰减更小 | 传输速率不超过1Gbit/s的应用 |
| 6 | 250MHz | 与5类相比改善了串扰等性能 | 传输速率不超过1Gbit/s的应用 |
| 7 | 600MHz | 使用屏蔽双绞线 | 传输速率不超过10Gbit/s的应用 |
光纤
光纤的优点
通信容量大（25000-30000GHz的带宽）
传输损耗小，远距离传输时更加经济
抗雷电和电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
无串音干扰，保密星号，不易被窃听
体积小，重量轻
光纤的缺点
割接需要专用设备
光电接口价格较贵
多模光纤
由于色散（模式、材料、波导色散），光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真（脉冲展宽）
因此，多模光纤只适合近距离传输（建筑物内）
发送光源：发光二极管 接收检测：光电二极管
单模光纤
没有模式色散，在1.31微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反，两者正好抵消
单模光纤适合长距离传输且衰减小，但其制造成本高，对光源有要求
发送官员：激光发生器；接收光源：激光检测器
电力线
非导引型传输媒体
无线电波
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
点对点无线传输
直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
传输速率低（4Mb/s~16Nb/s）
可见光
无线电频谱管理机构
中国
美国
ISM频段
2.3 传输方式
串行传输和并行传输
串行传输：远距离传输，例如计算机网络
并行传输：计算机内部的数据通信，总线（地址、数据、控制）
同步和异步传输
同步传输
收发双方时钟同步的方法
外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
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
字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间是相同的）
单工、半双工和全双工传输
单工：单向通信 无线广播
半双工：双向交替通信 对讲机
全双工：双向同时通信 电话
2.4 编码与调制
消息：文字、图片、音频、视频
数据：运送消息的实体
信号：数据的电磁表现
基带信号：信源发出的原始电信号
数字基带信号通过编码进入数字信道（以太网 曼彻斯特编码），通过调制进入模拟信道（WiFi：CCK/DSSS/OFDM调制）
模拟基带信号通过编码进入数字信道（对音频信号进行编码的脉码调制PCM），通过调制进入模拟信道(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)
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
常用编码
不归零编码
只有正电平和负电平两种信号，没有0信号
需要额外一根传输线来传输时钟信号，是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
曼彻斯特编码
传统以太网，10Mb/s
码元中间时刻的跳变既表示时钟又表示数据
差分曼彻斯特编码
跳变仅表示时钟
码元来时处电平是否发生变化表示数据
混合调制
频率 频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位中的一个
相位
振幅
混合调制举例
QAM-16
12种相位
每种相位有1或2中振幅可选
可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特
2.5 信道的极限容量
信号的失真因素：
码元传输率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量
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
理想带通信号的最高码元传输速率 = W Baud = W 码元/秒
W: 信道带宽（单位Hz）
Baud: 波特，即码元/秒
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。它与比特率有一定关系：
当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的；
当1个码元只携带n比特的信息量时，则波特率转化成比特率时，数值要乘以n；
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和比特的信息量。这需要采用多元制。
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数值
只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制地提高信息的传输速率？
答案是否定的。因为信道的基线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。
香农公式
带宽受限且具有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
$c = Wlog_2{(1+S/N)}$
c: 信道的极限信息传输速率（单位：bit/s）
W: 信道带宽（单位：Hz）
S: 信道内所传信号的平均功率
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）= $10log_{10}(S/N)$ (dB)
- 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的基线传输速率越高
- 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比改公式的基线传输速率低不少，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
在信道带宽一定的情况下，根据奈氏法则和香农公式，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。
