注：前言、目录见 https://blog.csdn.net/qq_44220418/article/details/108428971

文章目录

一、物理层的基本概念
二、数据通信的基础知识
- 1、数据通信系统的模型
- 2、有关信道的几个基本概念
- - (1).介绍
  - (2).分类
  - (3).基带信号
  - (4).编码方法
  - (5).调制方法
- 2、信道的极限容量
- - (1).信号失真
  - (2).奈氏准则
  - (3).香农公式
三、物理层下面的传输媒体
- 1、导向传输媒体
- 2、非导向传输媒体
四、信道复用技术（★）
- 1、频分复用（FDM）
- 2、时分复用（TDM）
- 3、波分复用（WDM）
五、数字传输系统

一、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，而不是指具体的传输媒体

物理层的主要任务：确定与传输媒体的接口的一些特性{机械特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等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\begin{cases} 机械特性 & 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等 \\ 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 \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧机械特性电气特性功能特性过程特性指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

此外，物理层还要完成串、并行的转换

二、数据通信的基础知识

1、数据通信系统的模型

数据通信系统的模型如下图所示：

一些术语：: 消息——如：语音、文字、图像等; 数据——运送消息的实体; 信号——数据的电气的或电磁的表现
▶ 模拟的——连续变化的
▶ 数字的——取值为离散值; 调制——把数字信号转换为模拟信号的过程; 解调——把模拟信号转换为数字信号的过程; 码元——代表不同离散数值的基本波形（比如：一个携带了两位二进制的码元可以表示四个不同的离散值）

2、有关信道的几个基本概念

(1).介绍

信道是用来表示向一个方向传送信息的媒体

注：信道和电路并不等同，一个通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道

(2).分类

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互

双向交替通信（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（或接收）

双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接受信息

(3).基带信号

基带信号：来自信源的信号，就是将数字信号1或0直接高低电平来表示，然后送到线路上去传输
（与之相对应的是宽带信号，是经过调制过的信号）

计算机输出的数据信号都属于基带信号

(4).编码方法

常用编码方法：: 不归零：正电平代表1，负电平代表0; 归零：正脉冲代表1，负脉冲代表0; 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1（也可反过来定义）; 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表

(5).调制方法

对基带数字型号的几种调制（频谱变换）方法

调幅（AM）
调频（FM）
调相（PM）

2、信道的极限容量

(1).信号失真

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

信号传输的速率越高、距离越远，失真就越严重

(2).奈氏准则

奈氏准则给出了在理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过次上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（识别）才成为不可能

理想低通信道的最大传输速率为2Hlog⁡2Vb/s2H\log_2V \;\; b / s2Hlog2Vb/s
其中{V表示信号包含的离散级数，V=2nH表示理想低通信道的带宽（单位：Hz）采样周期T=12H\begin{cases} V表示信号包含的离散级数，V = 2^n \\ H表示理想低通信道的带宽（单位：Hz） \\ \\ 采样周期\; T = \frac{1}{2H} \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎧V表示信号包含的离散级数，V=2nH表示理想低通信道的带宽（单位：Hz）采样周期T=2H1

话音线路的频带宽度：300Hz~3400Hz

(3).香农公式

香农公式指出信道的极限信息传输速率 CCC C=Wlog⁡2(1+S/N)b/sC = W \log_2(1 + S / N) \;\; b/sC=Wlog2(1+S/N)b/s

其中{W表示信道的宽度（单位：Hz）S表示信道内所传信号的平均功率N表示信道内噪声的平均功率\begin{cases} W表示信道的宽度（单位：Hz） \\ S表示信道内所传信号的平均功率 \\ N表示信道内噪声的平均功率 \end{cases}⎩⎪⎨⎪⎧W表示信道的宽度（单位：Hz）S表示信道内所传信号的平均功率N表示信道内噪声的平均功率

信噪比（单位：dB）=10lg⁡(S/N)信噪比（单位：dB） = 10 \lg(S/N)信噪比（单位：dB）=10lg(S/N)

例如：

若信噪比为10分贝，则S/N=10S / N = 10S/N=10
若信噪比为20分贝，则S/N=100S / N = 100S/N=100
若信噪比为30分贝，则S/N=1000S / N = 1000S/N=1000

结论

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传输速率，就一定可以找到某种办法实现无差错的传输
在码元传输速率最大、信噪比也无法提高的情况下，可以通过让每一个码元携带更多比特的信息量的方法来提高信息的传输速率

三、物理层下面的传输媒体

1、导向传输媒体

{双绞线{屏蔽双绞线（STP）无屏蔽双绞线（UTP）同轴电缆{50Ω同轴电缆75Ω同轴电缆光缆{单模光纤多模光纤\begin{cases} 双绞线 \begin{cases} 屏蔽双绞线（STP） \\ 无屏蔽双绞线（UTP） \end{cases} \\ \\ 同轴电缆 \begin{cases} 50Ω同轴电缆 \\ 75Ω同轴电缆 \end{cases} \\ \\ 光缆 \begin{cases} 单模光纤 \\ 多模光纤 \end{cases} \\ \end{cases}⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧双绞线{屏蔽双绞线（STP）无屏蔽双绞线（UTP）同轴电缆{50Ω同轴电缆75Ω同轴电缆光缆{单模光纤多模光纤

双绞线、同轴电缆都是电信号沿着电线直线传播

光信号在光纤中是通过不断反射来传输，入射角过小过大都易发生折射

光纤的优点

传输损耗小，中继距离长（双绞线、同轴电缆的中继距离一般为 500m500m500m，光纤的中继距离一般为 120km120km120km）
抗雷电，抗电磁干扰
无串音干扰，保密性好
体积小，重量轻

2、非导向传输媒体

{无线电传输全方向、传输距离较长、易于穿透建筑物微波传输直线传播、天线要精确对准、不能很好地穿透建筑物，需要中继\begin{cases} 无线电传输 & 全方向、传输距离较长、易于穿透建筑物 \\ 微波传输 & 直线传播、天线要精确对准、不能很好地穿透建筑物，需要中继 \end{cases}{无线电传输微波传输全方向、传输距离较长、易于穿透建筑物直线传播、天线要精确对准、不能很好地穿透建筑物，需要中继

通信卫星的特性

优点

适合广播通信

传输数据的成本与所经过的距离无关

缺点

较长的传播距离带来了较大的时延（传播时延）

安全性、保密性差

四、信道复用技术（★）

1、频分复用（FDM）

频分复用就是所有的用户在同样的时间占用不同的带宽资源

2、时分复用（TDM）

时分复用就是所有用户在不同的时间占用同样地频带宽度

时分复用将时间划分成一段段等长的时分复用帧（TDM）

这样的时分复用利用率非常低

因此，采用一种统计时分复用的方式

3、波分复用（WDM）

波分复用就是光的频分复用

五、数字传输系统

现在的数字传输系统均采用脉码调制（PCM）体制
可将多个话路的PCM信号用时分复用的方法装成时分复用帧，发送到线路上

缺点：

速率标准不统一

不是同步传输

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《计算机网络》学习笔记 ·002【物理层】