计算机网络（三）物理层

文章目录

二物理层
- 2.1 物理特性
- 2.2 传输媒体
- 2.3 数据通信的基础知识
- - 2.3.1 数据通信系统的模型
  - - 2.3.1.1 源系统
    - 2.3.1.2 目的系统
    - 2.3.1.3 信道
    - 2.3.1.4 调制
  - 2.3.2 信道的极限容量
  - 2.3.3 码间串扰
  - 2.3.4 奈式准则
  - 2.3.5 香农公式
  - 2.3.6 正交振幅调制QAM

二物理层

说明：该笔记是根据湖南科技大学高军老师的计算机网络课程

以及书籍：计算机网络谢希仁主编

视频地址：https://www.icourse163.org/learn/HNKJ-1461816178?tid=1465255482

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。
物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可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和通信手段是什么。
用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。其实物理层规程就是物理层协议。

2.1 物理特性

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，等等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
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 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。
物理连接的方式很多（例如，可以是点对点的，也可以采用多点连接或广播连接），而传输媒体的种类也非常之多（如架空明线、双绞线、对称电缆、同轴电缆、光缆，以及各种波段的无线信道等)。

2.3 数据通信的基础知识

2.3.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端、发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）。

2.3.1.1 源系统

● 源点(source)：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
● 发送器：通常，源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在很多PC使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC外面看不见调制解调器。

2.3.1.2 目的系统

● 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
● 终点(destination)：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出（例如，把汉字在PC屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可能是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

2.3.1.3 信道

信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
(1) 单向通信又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
(2) 双向交替通信又称为半双工通信，即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）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。
(3) 双向同时通信又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

2.3.1.4 调制

调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。
变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。
另一类调制则需要使用载波(carrier)进行调制，把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，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。
编码方式：
不归零制：正电平代表1，负电平代表0。● 归零制：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。但也可反过来定义。● 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，而位开始边界没有跳变代表1。
调制方法

g)]

● 调幅(AM)，即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
● 调频(FM)，即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
● 调相(PM)，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

2.3.2 信道的极限容量

几十年来，通信领域的学者一直在努力寻找提高数据传输速率的途径。这个问题很复杂，因为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。
数字通信的优点就是：在接收端只要我们能从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。
码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

2.3.3 码间串扰

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。
如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了尾巴。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。
严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。

2.3.4 奈式准则

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

2.3.5 香农公式

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。
噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。
所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。

在1948年，信息论的创始人香农(Shannon)推导出了著名的香农公式。香农公式指出：信道的极限信息传输速率C是，W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率。

香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
香农公式的意义在于：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。

2.3.6 正交振幅调制QAM

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。

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