物理层章节笔记-基本概念-传输媒体-传输方式-编码与调制-信道的极限容量--计算机网络

1.物理层的基本概念：

? ? ? ? 1.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比特流。

? ? ? ? 2.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。

? ? ? ? 计算机网络中的物理层，就是要解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题。进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。所谓“透明”是指数据链路层看不见，也无需看见物理层究竟是用什么方法来传输比特0和1的，它只管享受物理层提供的比特流传输服务即可。

? ? ? ? 物理层协议的主要任务：

? ? ? ? ? ? ? ? 1.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。

? ? ? ? ? ? ? ? 2.电气特性：指明接口电缆上各条线上出现的电压的范围。

? ? ? ? ? ? ? ? 3.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。

? ? ? ? ? ? ? ? 4.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.物理层下面的传输媒体（传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层）（了解）

? ? ? ? 1.导引型传输媒体

? ? ? ? ? ? ? ? 1.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，目前主要同于有线电视

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 缺点：同轴电缆价格昂贵且布线不够灵活和方便

? ? ? ? ? ? ? ? 2.双绞线：

?屏蔽双绞线电缆比无屏蔽双绞线电缆增加了金属丝编制的屏蔽层，提高了抗电磁干扰能力。

? ? ? ? ? ? ? ? 3.光纤：

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 光纤的优点：1.通信容量大（25000~30000GHz的带宽）

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.传输损耗少，远距离传输时更加经济

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.抗雷电和电磁干扰性能好。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.无传音干扰，保密性好，不易被窃听。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 5.体积小，重量轻。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 光线的缺点：1.割接需要专用设备

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.光电接口价格较贵

? ? ? ? ? ? ? ? 4.电力线：

? ? ? ? 2.非导引型传输媒体

? ? ? ? ? ? ? ? 1.无线电波：

? ? ? ? ? ? ? ? 2.微波：频率范围为300MHz~200GHz（波长1m~1mm），但主要使用2~40GHz的频率范围。

? ? ? ? ? ? ? ? 3.红外线：很多家用电器都配套有红外遥控器。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 红外通信属于点对点无线传输，直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短，传输速率短

? ? ? ? ? ? ? ? 4.可见光（不重要）

?3.传输方式：

? ? ? ? 1.串行传输：数据是一个比特一个比特一次发送的，因此，在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可。

? ? ? ? 2.并行传输：一次发送n个比特，而不是一个比特，为此，在发送端和传输端之间需要有n条传输线路。其优点是传输速度为串行传输的n倍，但是成本高。

在计算机网络中，数据在传输线路上的传输采用的是串行传输。计算机内部的传输方式采用的是并行传输。

? ? ? ? 1.同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0或比特1。由于不同设备的时钟频率存在一定差异， 在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判别错位。因此，需要采取方法使收发双方的时钟保持同步。

? ? ? ? ?实现收发双方时钟同步的方法主要有两种：

? ? ? ? ? ? ? ? 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）

? ? ? ? 2.异步传输：以字节为独立的传输单位。字节之间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后加上起始位和结束位。

? ? ? ? ? ? ? ? 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）

? ? ? ? 1.单向通信（单工）：通信双方只有一个数据传输方向。例如：无线电广播

? ? ? ? 2.双向交替通信（半双工）：通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。例如：对讲机

? ? ? ? 3.双向同时通信（全双工）：通信双可以同时发送和接受信息。例如：电话。

?????????单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。

4.编码与调制

? ? ? ?在计算机网络中，数据是运送消息的实体，计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的电信号发送到网线（信号是数据的电磁表现），由信源发出的原始电信号成为基带信号。基带信号可分为数字基带信号（计算机内部cpu与内存之间传输的信号）和模拟基带信号（麦克风收到声音后产生的音频信号）。信号需要在信道中进行传输，信道可分为数字信道和模拟信道两种。

????????在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，成为编码（编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输）。

????????把数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，成为调制（调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输）。

? ? ? ? 对于模拟基带信号的处理，也有编码和调制两种方法。

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? ? ? ? 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，称为码元。

? ? ? ? 传输媒体与信道的关系：严格来说，传输媒体和信道不能直接划等号。对于单工传输，传输媒体中只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接受信道。而对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道，一个是发送信道，另一个是接受信道。如果使用信道复用技术，一条传输媒体还可以包含多个信道。在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。或调制的方法在相应信道进行传输。

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????????不归零编码：所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。

????????接收端如何区分相邻电平的码元为多少个码元：需要一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。

? ? ? ? 但是对于计算机网络，宁愿利用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号。因此，由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

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? ? ? ? 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，归零编码中大部分数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。

? ? ? ? 归零编码的优点是自同步，但缺点是编码效率低。

? ? ? ? ?曼彻斯特编码：在每个码元的中间时刻信号都或发生跳变。

? ? ? ? 码元中间时刻的跳变即表示时钟，又表示数据。

? ? ? ? 差分曼彻斯特编码：在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。与曼彻斯特编码不同，跳变仅表示时钟，而用码元开始处电平是否发生变化表示数据。????????基本调制方法：

? ? ? ? 使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。

? ? ? ? 使一个码元包含更多的比特：可以采用混合调制的方法。

? ? ? ? 因为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两个中的一个。通常情况下，相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。

? ? ? ? 混合调制 举例--正交振幅调制QAM

? ? ? ? ? ? ? ? QAM-16

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1.12种相位

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 2.每种相位有1或2种振幅可选

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 3.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

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 4.码元与4个比特的对应关系采用格雷码（任意两个相邻码元只有一个比特不同）

5.信道的极限容量

????????失真的因素：码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等。

? ? ? ? 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

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? W：信道带宽（单位为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个码元只携带一比特的信息量时，则波特率与比特率在数值上是相等的；

? ? ? ? ? ? ? ? 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；

? ? ? ? 要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。

? ? ? ? 实际的信道所能传输的最高马码元速率，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。? ? ? ?

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? ? ? ? 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。

? ? ? ? 1.信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

? ? ? ? 2.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。

综合奈氏带宽和香农公式：

? ? ? ? 1.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和努力提高信道中的信噪比。

? ? ? ? 2.自从香农公式发表以后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。

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