第二章 物理层
目录物理层的基本概念
位置：网络体系结构的最底层
不是具体传输媒体，也不是连接计算机的具体物理设备
一条网线不是物理层
功能：在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
- 数据链路层把比特流交给物理层
- 物理层按照传输媒体的需要进行编码
- 将信号通过传输媒体传输给下一个物理层
作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异
物理层之间的协议——规程 procedure
两类传输媒体接口
- 数据终端设备 DTE 起点或终点
- 数据电路终结设备 DCE 中间点
四个特性
- 机械特性：接口所用接线器的形状尺寸等
- 电气特性：电气连接和相关特性，电压范围等
- 功能特性：某条线上出现的某一电平的电压的意义，定义接线器每个引脚的作用
- 过程特性：对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
数据通信的基本知识
主要内容：信号在信道上传输时的数学表示及其受到的限制
三大部分：源系统（发送端，发送方），传输系统（传输网络），目的系统（接收端，接收方）
通信：在源点的终点之间传递消息或信息
消息：向人们表达客观物质运动和主观思维活动的文字，符号，数据等
信息：包含在消息中对通信者有意义的内容
数据：对某一事实不经解释并赋予一定含义的字母，数字等符号
信号：电气或者电磁的表现
信号是消息的载体，数据是运送消息的实体，信息包含在消息之中
信道：信号传输的通道
- 单向通信：只有一个方向的通路
- 双向交替：不能同时发送，一个时间只能一个方向
- 双向同时：传输双方同时发送和接收
基带信号：信源发出的没有经过调制的原始信号
调制：让信号可以在相应信道中传输
- 基带调制（编码）：只变换波形，从一种数字信号转换成另一种数字信号
- 带通调制：把基带信号转换成模拟信号
常用编码方式
- 不归零制：正点平为 1，负电平为 0
- 归零制：正脉冲为 1，负脉冲为 0
- 曼彻斯特编码：下降沿为 1，上升沿为 0
- 差分曼彻斯特：后为 1 边沿不跳变，为 0 跳变
信号频率：曼彻斯特 > 不归零制
自同步能力：曼彻斯特具备，不归零制不具备
基本带通调制方法
- 调幅：不同幅度代表 0 和 1
- 调频：不同频率代表 0 和 1
- 调相位：不同相位（正弦波余弦波）代表 0 和 1
码元：代表不同离散数值的基本波形
信道的极限容量
失真的原因
- 信号传输距离远
- 传输媒体质量差
- 噪声干扰
- 环境干扰
- 人为恶意干扰
- 码元传输速率过高，限制因素
- 信道允许的频率范围
- 信噪比
信道允许的频率范围
奈氏准则
- 带宽为 W（Hz）的理想低通信道中，码元传输最高速率为 2W （码元/秒）
- 频带越宽，码元传输速率越高
- 码间串扰：接收端信号波形失去码元间清晰界限
奈氏准则只给出了码元传输速率的限制，没有信息传输速率的限制
v 进制码元，理想低通信道下的极限数据传输速率 = \(2W\log_2 v\) (b/s)
信噪比
- 信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为 S/N
- 香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限无差错信息传输速率
- C = \(W \log_2 (1+S/N)\) (bit/s)
- 信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
香农公式和奈氏准则意义
- 奈氏准则：激励工程人员不断探索更先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量
- 香农公式：告诫工程人员在有噪声的信道上，任何编码技术都不能突破香农定理给出的信息传输速率