1. • 物理层的基本概念

物理层的作用：物理层解决如何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：确定与传输媒体接口有关的一些特性 🔜本质：定义一些固定标准

物理层的四大特性：

2.数据通信

1. • 数据通信的相关术语

➡数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

➡信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式

↪数字信号：代表消息的参数取值是离散的

↪模拟信号:代表消息的参数取值是连续的

➡信源: 产生和发送数据的源头。

➡信宿:接收数据的终点

➡信道:信号的传输媒介，一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

↪传输信号：模拟信道 (传送模拟信号) 数字信道 (传送数字信号)

↪传输介质：无线信道，有线信道

2. • 数据通信的方式

c.数据传输方式

3.码元

定义：是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元。1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示

关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为MXn bit/s⬇

带宽:表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s

系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快，如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率

⬇⬇

4.奈氏准则

定义：在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz。

理想低通信道下的极限数据传输率公式

2wlogV (b/s)

注意：只有在以上公式带宽才用Hz

特点：

1.在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。

2.信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输

3.奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。

4.由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

5.香农定理

香农定理:在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，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。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率

常记为S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位

信道的极限数据传输速率=Wlog(1+S/N) (b/s)

特点：

1.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

2.对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了

3.只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输

4.香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

5.从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有限

6.编码与调制

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道

信道上传输的信号有两种：

↪基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号

↪宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)

使用特点：⬇

➡在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)

➡在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

编码：把数据转换成数字信号

调制：把数据转换成模拟信号

a.数字数据编码为数字信号

三种主要的编码方式：

三种编码方式的波形：

b.数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

调制的三种方式：

c.模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)，最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCN编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的 WAV文件中均有应用。它主要包括三步:抽样、量化、编码。

🔜抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样:f采样频率 > 2f信号最高频率

🔜量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。

🔜编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

d.模拟数据调制为模拟信号

👉为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式:模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

7.传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。传输媒体并不是物理层

传输介质包括两部分⬇

➡导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介 (铜线/光纤)传播

➡非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等

1.导向性传输介质

同轴电缆和双绞线的比较：由于外导体屏蔽层的作用，司轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

多模光纤和单模光纤的比较：

光纤的特点

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

• 抗雷电和电磁干扰性能好

• 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据

• 体小，重量轻

2.非导向传输介质

8.中继器

功能：对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

5-4-3规则:网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障

集线器的功能(多口中继器): 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备