第二章物理层

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

1. 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。
2. 电气特性指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3. 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。
4. 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.物理层下面的传输媒体

2.1引导型传输媒体

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，在局域网领城基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

双绞线：

绞合的作用

1. 抵御部分来自外界的电磁波干扰
2. 减少相邻导线的电磁干扰

光纤：

光纤的优点：

1. 通信容量大(25000~30000GHz的带宽)
2. 传输损耗小，远距离传输时更加经济。
3. 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。
4. 无串音干扰，保密性好，不易被窃听。
5. 体积小，重量轻。

光纤的缺点：

1. 割接需要专用设备
2. 光电接口价格较贵

2.2非导引型传输媒体

无线电磁波

微波，直线传播

红外线

可见光

3.传输方式

3.1串行传输

3.2并行传输

3.3同步传输

3.4异步传输

3.5单向通信(单工)

3.6双向交替通信(半双工)

3.7双向同时通信(全双工)

4.编码与调制

4.1基本编码方法

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。

归零编码：

1. 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。
2. 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。
3. 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：

码元中间时刻的跳变既表示时钟,又表示数据。(传统以太网,10Mb/s)

差分曼彻斯特编码：

1.跳变仅表示时钟;

2.码元开始处电平是否发生变化表示数据。

练习1：【2013年题34】若下图为10BaseT网卡接收到的信号波形，则该网卡收到的比特串是A

【解析】

1.10BaseT以太网使用的是曼彻斯特编码;

2.每个码元在中间时刻跳变，按此特点找出每个码元;

3.正跳变表示1还是0，负跳变表示0还是1，可自行假设。

4.2基本调制方法

因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。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。

5.信道的极限容量

失真因素：

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

奈氏准则，在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。调制速度

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。

信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。

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地接近香农公式给出的传输速率极限。

【2014年题35】下列因素中，不会影响信道数据传输速率的是D

A.信噪比
B.频率带宽
C.调制速度
D.信号传播速度

【2009年题34】在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是
A.12 kbps
B.24 kbps
C. 48 kbps
D.96 kbps

【2011年题34】若某通信链路的数据传输速率为2400bps,采用4相位调制，则该链路的波特率是B
A.600波特
B.1200波特
C. 4800波特
D.9600波特

【2016年题34】若连接R2和R3链路的频率带宽为8kHz,信噪比为30dB，该链路实际数据传输速率约
为理论最大数据传输速率的50%，则该链路的实际数据传输速率约是
A.8 kbps
B.20 kbps
C. 40 kbps
D.80 kbps

【2017年题34】若信道在无噪声情况下的极限数据传输速率不小于信噪比为30dB条件下的极限数据传输速率，则信号状态数至少是D
A.4
B.8
C.16
D.32

6.习题课

【2012年题34】在物理层接口特性中，用于描述完成每种功能的时间发生顺序的是C
A.机械特性
B.功能特性
C.过程特性
D.电气特性

【2018年题34】下列选项中，不属于物理层接口规范定义范畴的是c
A.接口形状
B.引脚功能
C.物理地址
D.信号电平