物理层

物理层的基本概念

在计算机网络中，用来连贯各种网络设备的传输媒体品种泛滥。

大抵能够分为两类：一类是 导引型传输媒体 ，另一类是 非导引型传输媒体。

导引型传输媒体中，常见的有：双绞线、同轴电缆、光纤。

非导引型传输媒体中，常见的是微波通信（2~40GHz）。

而物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特和 1 的问题。进而给数据链路层提供通明传输比特流的服务。

所谓 ” 通明 ” 是指数据链路层看不见也无需看见物理层到底应用的什么办法来传输比特 0 和 1 的。它只管享受物理层提供的比特流服务即可。

物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特 0 和 1 的问题，次要有以下四个工作：

• 机械个性：指明接口所用接线器的 形态 和尺寸 、 引脚数目 和排列 、 固定 和锁定 安装。
• 电气个性：指明在接口电缆的各条线上呈现的 电压的范畴。
• 性能个性：指明某条线上呈现的某一电平的 电压示意何种意义。
• 过程个性：指明对于不同性能的各种可能 事件的呈现程序。

物理层上面的传输媒体

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流传。

常见的导引型传输媒体有：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线。

同轴电缆

双绞线

光纤

光纤的工作原理

电力线

非导引型传输媒体

非导引型传输媒体是指自由空间。

可应用的电磁波有：无线电波，微波，红外线，可见光。

无线电波

微波

红外线

传输方式

串行传输和并行传输

串行传输：数据是一个比特一个比特顺次发送的，因而在发送端与接收端之间，只须要一条数据传输线路即可。

并行传输：一次发送 n 个比特，因而，在发送端和接收端之间须要有 n 条传输线路；并行传输的长处是比串行传输的速度 n 倍，但老本高。

数据在传输线路上的传输采纳是 串行传输 ，计算机外部的数据传输罕用 并行传输

同步传输和异步传输

同步传输：

• 数据块以稳固的比特流的模式传输。字节之间没有距离
• 接收端在每个比特信号的两头时刻进行检测，以判断接管到的是比特 0 还是比特 1
• 因为不同设施的时钟频率存在肯定差别，不可能做到完全相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判断时刻的累计误差，会导致接收端对比特信号的判断错位

所以要使收发双发时钟放弃同步。

收发单方时钟同步的办法有两种：

• 外同步：在收发单方之间增加一条独自的时钟信号线，接收端依照时钟同步信号的节奏来接收数据。
• 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（例如曼切斯特编码）

异步传输：

• 以字节为独立的传输单位，字节之间的工夫距离不是固定
• 接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步
• 通常在每个字节前后别离加上起始位和结束位

单向通信、双向交替通信、双向同时通信

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。无线电播送或有线电以及电视广播就属于这种类型。

双向交替通信：

又称为 半双工通信，即通信的单方能够发送信息，但不能单方同时发送（当然也就不能同时接管）。这种通信形式使一方发送另一方接管，过一段时间后能够再反过来。

双向同时通信：

又称为 全双工通信，即通信的双发能够同时发送和接管信息。

单向通信 只须要一条信道，而 双向交替通信 或双向同时通信 则须要两条信道（每个方向各一条）

双向同时通信 的传输效率最高。

编码与调制

罕用术语

• 数据 (data) —— 运送音讯的实体。
• 信号(signal) —— 数据的电气的或电磁的体现。
• 模拟信号 (analogous signal) —— 代表音讯的参数的取值是间断的。
• 数字信号 (digital signal) —— 代表音讯的参数的取值是离散的。
• 码元 (code) —— 在应用工夫域（或简称为时域）的波形示意数字信号时，代表不同离散数值的根本波形。
• 基带信号 （即根本频带信号）—— 来自信源的信号。像计算机输入的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号往往蕴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重量或直流重量。因而必须对基带信号进行 调制 (modulation)。

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办法在相应信道进行传输。

罕用编码

不归零编码

• 正电平示意比特 1 /0
• 负电平示意比特 0 /1

两头的虚线是零电平，所谓不归零编码，就是指在整个码元工夫内，电平不会呈现零电平。

这须要发送方的发送与接管方的接管做到严格的同步

• 须要 额定一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接管方同步，接管方按时钟信号的节奏来一一接管码元
• 然而 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

因为 不归零编码 存在 同步问题，因而计算机网络中的数据传输不采纳这类编码。

归零编码

每个码元传输完结后信号都要 ” 归零 ”，所以接管方只有在信号归零后进行采样即可，不须要独自的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用 ” 归零 ” 形式编码在了数据之内，这称为 ”自同步“ 信号。

然而归零编码中大部分的 数据带宽，都用于传输 ” 归零 ” 而节约掉了。

归零编码 尽管 自同步 ，但 编码效率低

曼切斯特编码

在每个码元工夫的两头时刻，信号都会产生跳变

• 负跳变示意比特 1 /0
• 正跳变示意比特 0 /1
• 码元两头时刻的跳变即示意时钟，又示意数据

传统以太网应用的就是曼切斯特编码

差分曼彻斯特编码

在每个码元工夫的两头时刻，信号都会发送跳变，但与 曼彻斯特不同

• 跳变仅示意时钟

• 码元开始处电平是否变换示意数据

  • 变动示意比特 1 /0
  • 不变动示意比特 0 /1

比曼彻斯特编码变动少，更适宜较高的传输速率

调制

根本调制办法

• 调幅 AM：所调制的信号由两种不同振幅的根本波形形成。每个根本波形只能示意 1 比特信息量
• 调频 FM：所调制的信号由两种不同频率的根本波形形成。每个根本波形只能示意 1 比特信息量
• 调相 PM：所调制的信号由两种不同初相位的根本波形形成。每个根本波形只能示意 1 比特信息量

然而应用根本调制办法，1 个码元只能蕴含 1 个比特信息。

混合调制

那么如何能使 1 个码元蕴含更多的比特呢？

能够采纳混合调制的办法，因为 频率和相位是相干 的，也就是说，频率是相位随工夫的变化率。所以 一次只能调制频率和相位两个中的一个。

通常状况下，相位和振幅能够联合起来一起调制，称为 正交振幅调制 QAM。

正交振幅调制 QAM

QAM-16

• 12 种相位
• 每种相位有 1 种或者 2 种振幅可选
• 能够调制出 16 种码元（波形），每种码元能够对应示意 4 个比特
• 码元与 4 个比特的对应关系采纳格雷码
• 任意两个相邻码元只有一个比特不同

信道的极限容量

任何理论的信道都不是现实的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种烦扰。

码元传输的速率越高，或信号传输的间隔越远，或传输媒体品质越差，在信道的输入端的波形的失真就越重大。

失真的起因：

• 码元传输的速率越高
• 信号传输的间隔越远
• 噪声烦扰越大
• 传输媒体品质越差

奈氏准则和香农公式比照：