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二、物理层

2.1 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。

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

物理层协议的主要任务

• 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。
• 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 物理层下面的传输媒体

1. 导引型传输媒体

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，目前主要用于有线电视

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

双绞线

光纤

光纤的 优点：

• 通信容量大（25000 ~ 30000GHz 的带宽）
• 传输损耗小，远距离传输时更加经济
• 抗雷电和电磁干扰性能好，这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要
• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听
• 体积小，重量轻

光纤的 缺点：

• 割接需要专用设备
• 光电接口价格较贵

光纤传播基本原理

电力线

2. 非导引型传输媒体

无线电波

微波

红外线

• 点对点无线传输
• 直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
• 传输速率低（4Mb/s ~ 16Mb/s）

可见光

查看可见光传输介绍

2.3 传输方式

1. 串行传输与并行传输

2. 同步传输与异步传输

同步传输

收发双方时钟同步的方法：

• 外同步在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
• 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）

异步传输

• 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）

3. 单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）、双向同时通信（全双工）

2.4 编码与调制

1. 常用编码

不归零编码

接收端如何判断码元个数？

• 需要 额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步。
• 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。

故不归零编码存在同步问题

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，归零编码中大部分的 数据带宽，都用来传输 “归零” 而 浪费 掉了

曼彻斯特编码

例题

2. 调制方法

基本调制方法

使用基本调制方法，1 个码元只能包含一个比特信息。如何能使 1 个码元包含更多的比特呢？

混合调制方法

混合调制举例 — 正交振幅调制 QAM

QAM -16

• 12 种相位
• 每种相位有 1 或 2 种振幅可选
• 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

每个码元与 4 个比特的对应关系不能随便定义

• 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 1 个比特不同

2.5 信道的极限容量

1. 失真

失真因素：

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

2. 奈氏准则

3. 香农公式

• 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（更好的调制方法）和努力 提高信道中的信噪比
• 自从香农公式发表后，各种 新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能的 接近香农公式给出的传输速率极限

4. 习题

题一

题二

题三

题四

题五

2.6 章节小结

第二章思维导图：http://pan.yichend.top/xmindFile/%E7%AC%AC2%E7%AB%A0%20%E7%89%A9%E7%90%86%E5%B1%82%20%E7%AB%A0%E8%8A%82%E5%B0%8F%E7%BB%93.xmind

2.7 物理层 习题

题一

题二

题三

题四

题五

题六

题七