有了前两篇文章的基础,相信大家已经对物理层有了一定的概念了,那物理层的功能具体怎么实现呢?

这篇文章里,我将一一道来:

物理层概述
数据通信基础知识
数据编码技术
信道复用技术
物理层下面的传输媒体

1. 物理层概述

物理层的主要任务

网络物理层（Physical Layer，PH）主要任务为：如何利用传输媒体，为数据链路层提供传送和接收二进制比特（bit）流的服务。

物理层的具体功能

物理层协议的具体功能为：

确定与传输媒体接口的特性：机械特性电气特性、功能特性、过程特性。
比特的表示。
传输速率：每个比特的传输时间。
传输方式：单工、双工还是半双工。
位同步：收发双方的快慢一致。
线路配置：点对点还是点对多点。

2. 数据通信基础知识

数据通信系统基本模型

数据通信是指在不同计算机之间传送表示字符、数字、语音、图像的二进制代码0、1比特序列的过程。一个数据通信系统包括三大部分，涉及四种通信技术:

常用术语

信息（Infomation）人对现实世界的某种认识。
数据（Data）是信息的表达方式（载体）。其可以是文字、声音和图象等多种不同形式。本课中，数据理解为在网络中存储、处理和传输的二进制数字编码。
信号（Signals）数据传输过程中的电磁波表示形式（光、电信号、无线信号）。
模拟信号(analogous signal)是指信号及其振幅、频率、相位等参数随时间连续变化的信号；
数字信号是离散的一系列电脉冲，它的取值是有限的几个离散数值，其强度在某个时间周期内维持一个常量级，然后改变到另一个常量级。
码元 (code)：是在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。值得注意的是当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个）时，此时码元为M进制码元。即一个码元不一定对应于一个比特。
码元传输速率：是模拟信号的速率，以波形每秒的振荡数来衡量（也称为调制速率、波形速率或波特率）。通常数据传输速率（比特率）大于波特率。

数据通信的基本概念

数据通信的理论基础

信号在通信信道上传输时的数学表示可以根据傅立叶（Fourier）分析得出:任何电磁信号可以由若干具有不同振幅、频率和相位的周期模拟信号组成。

时域观和频域观

在网络通信中，计算机信息（数据）是以电磁波（或称信号）的形式传输的。

电磁信号是时间的函数（时域观）
电磁信号也可以看成频率的函数（频域观）

计算机等终端设备的原始数据信号因为往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，因此，时域中的数字信号在频域中也称为基带信号（即基本频带信号）。

单工、半双工、全双工

从信息传送方向和时间的关系角度研究数据通信方式可以分为：

单工通信:只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
半双工通信:通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
全双工通信:通信的双方可以同时发送和接收信息。

并行通信和串行通信

根据一次传输数据时使用的信道数，可以将计算机和外部通信方式分为：

并行通信
串行通信

而按照串行数据的时钟控制方式，串行通信又可分为同步通信和异步通信两种方式。

数据通信中的同步方式

同步指的是通信中的接收双方在时间基准上一致。可分为：位同步、字符同步（异步通信）和报文（比特流）同步（同步通信）:

同步通信：信息是以报文为单位传送的；传输开始时，以同步字符使收发双方同步；从传输信息中抽取同步信息，修正同步，保证正确采样。
异步通信：信息是以字符为单位传送的；每个字符由发送方异步产生，有随机性。

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

信道容量（Channel Capacity）是指通信系统的最大传输速率（bps）。

把能通过该信道的频率范围定义为信道带宽，显然，信道带宽总是有限的。故信道的数据传输速率受信道带宽的限制。

奈奎斯特准则：理想信道的二进制数据信号的最大数据传输速率 C与信道带宽B（Hz）的关系为：
其中n一个脉冲所表示的有效状态，应用最广的是一个脉冲表示两种状态，即n=2；
香农定理：在有随机热噪声的信道上传输数据信号时，数据传输速率C与信道带宽B，信噪比S/N的关系为

香农公式

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。

若信道带宽B 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C也就没有上限。

实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。

这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

3. 数据编码技术

计算机数字信号的两种基本传输方式：

基带传输：在数字信道上直接传输基带信号的方法。
不经转换，效率高。局域网，电缆的带宽足够。
频带传输：在模拟信道上利用调制解调实现基带信号传输的方法。
解决了数字信号可利用电话系统传输的问题。
实现多路复用，以提高传输信道的利用率。
但需要调制解调器。

数据编码技术研究计算机数据在信号传输过程中如何进行编码(变换)。

用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量:

基带传输编码

在基带传输中，需要对数字信号进行编码以表示数据，即用不同的电平值代表数字信号0或1。常采用以下三种编码方法：

不归零制编码（NRZ）：简单，易实现。但难于位同步，须同时传送同步时钟信号。
曼彻斯特编码：是一种自同步编码方式。
差分曼彻斯特编码：是基本曼彻斯特编码的变形。后两种编码应用普遍，已成为局域网标准编码。

频带传输编码

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制 (modulation)。通过改变振幅、频率和相位等载波特性或者这些特性的某种组合，来对数字数据进行编码（调制）。

最基本的二元制调制方法有以下几种：

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

4. 信道复用技术

多路复用技术（Multiplexing）就是把多路信号在单一的传输线路和用单一的传输设备来进行传输的技术。常用的多路复用技术有三类：

频分多路复用(FDM，Frequency Division Multiplexing)
波分多路复用(WDM，WavelengthDivision Multiplexing )
时分多路复用(TDM，Time Division Multiplexing)

频分多路复用FDM

每路信道的信号以不同的载波频率进行调制;

各个载波频率是不重叠的, 一条通信线路就可以同时独立地传输多路信号。

波分多路复用WDM

是频分多路复用在光纤信道上使用的一个变种。

在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号称为密集波分复用DWDM；

时分多路复用TDM

时分多路复用是将信道用于传输的时间划分为若干个时间片；每个用户分得一个时间片

在每个用户占有的时间片内，用户使用通信信道的全部带宽。

5. 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。

传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体:

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

电信领域使用的电磁波的频谱:

导引型（有线）传输媒体

双绞线

双绞线是最常用的传输媒体。

模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。可以分为:

屏蔽双绞线 STP (Shielded Twisted Pair)
带金属屏蔽层
无屏蔽双绞线 UTP (Unshielded Twisted Pair)

双绞线的标准

1991年，美国电子工业协会 EIA 和电信行业协会联合发布了一个用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准 EIA/TIA-568。

1995年将布线标准更新为 EIA/TIA-568-A。

此标准规定了 5 个种类的 UTP 标准（从 1 类线到 5 类线）。

对传送数据来说，现在最常用的 UTP 是5类线（Category 5 或 CAT5）。

同轴电缆

同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
同轴电缆的带宽取决于电缆的质量。

50欧同轴电缆 —— LAN / 数字传输常用
75欧同轴电缆 —— 有线电视 / 模拟传输常用

光缆

光纤是光纤通信的传输媒体。
由于可见光的频率非常高，约为 10^8 MHz 的量级，因此一个光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

多模光纤与单模光纤

优点

常用的三个波段的中心分别位于 850 nm, 1300 nm 和 1550 nm。所有这三个波段都具有 25000~30000 GHz 的带宽，可见光纤的通信容量非常大。

通信容量非常大。
传输损耗小，中继距离长。
抗雷电和电磁干扰性能好。
无串音干扰，保密性好。
体积小，重量轻。

非导引型（无线）传输媒体

将自由空间称为“非导引型传输媒体”。

无线传输所使用的频段很广。

短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。

微波在空间主要是直线传播。传统微波通信有两种方式：

地面微波接力通信
卫星通信

无线局域网使用的 ISM 频段

要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。但是，也有一些无线电频段是可以自由使用的。例如：ISM。各国的 ISM 标准有可能略有差别。

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