物理层

• 物理层
  • 物理层的基本概念
    • 传输媒体
    • 物理层协议的主要任务
    • 传播方式
  • 编码与调制
    • 码元
    • 常用编码
    • 调制方法
      • 基本调制
      • 混合调制
  • 信道极限容量
    • 奈氏准则
    • 香农公式

物理层的基本概念

传输媒体

• 导引型

  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
  • ...

• 非导引型

  • 微波通信 (2 ~ 40 GHz)
  • 红外线
  • ...

物理层协议的主要任务

• 机械特性

  指明接口所用接线器规格，形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等

• 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

---

重点

• 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

传播方式

• 串行传输

  远距离传输【计算机网络】

• 并行传输

  计算机内部【CPU与内存】

• 同步传输

  存在时钟误差积累，处理方法：使双方时钟同步

  • 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

  需要在每个字节前后添加起始位和结束位

  • 字节之间异步（字节时间间隔不固定）
  • 字节中每个比特仍然同步（各比特的持续时间是相同的）

• 单向通信

  数据传输方向为单向

• 双向交替通信

  数据传输方向为双向，但不能同时

• 双向同时通信

  数据传输方向为单向，但有两个信道

编码与调制

flowchart TD A(("消息")) B(("数据")) C(("信号")) D(("基带\n信号")) E("基带信号") E1("数字\n基带信号") E2("模拟\n基带信号") F1[["数字信道"]] F2[["模拟信道"]] %% 基础模型 subgraph model["基础模型"] direction LR A -."运送消息的\n实体".-> B B -."s数据的\n电磁表现".-> C C -."信源发出的\n原始电信号".-> D D -..-> E1 D -..-> E2 end %% 编码与调制 subgraph id["编码与调制"] direction LR E -."编码".-> F1 E -."调制".-> F2 end model --- id

码元

在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形

常用编码

• 不归零编码 【存在同步问题】

  需要额外传输线【时钟信号】

• 归零编码 【编码效率低】

  相当把时钟信号用 "归零" 方式编码编入数据内，称为自同步信号

• 曼彻斯特编码

  码元中间时刻的跳变表示时钟，又同时表示数据

• 差分曼彻斯特编码

  • 跳变仅表示时钟
  • 码元开始处电平是否发生变化表示数据

调制方法

基本调制

• 调幅 (AM)
• 调频 (FM)
• 调相 (PM)

使用基本调制方法，1 个码元只能包含 1 个比特信息

混合调制

• 因为频率和相位是相关，所以一次只能调制频率和相位中的一个
• 通常情况下，相位和振幅可以结合一起调制，称为正交振幅调制 QAM

• QAM-16

  • 12 种相位
  • 每种相位有 1~2 种振幅可选
  • 每个码元可以对应 4 比特
  • 码元与 4 个比特对应关系应该满足格雷码

信道极限容量

• 码元是承载信息信号的基本信号单位

奈氏准则

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有极限的

• 理想低通信道的最高码元传输速率 = \(2W\;Baud\)
• 理想带通信道的最高码元传输速率 = \(W\;Baud\)

• \(W\): 信道带宽（单位为 Hz ）
• \(Baud\): 波特，即码元/秒

香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率

\[C = {W}\times{ \log_2{ (1+ \dfrac{S}{N}) } } \]