物理层

物理层考虑的是怎样才能在各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，主要涉及到的领域包括信号传播、电信系统等，与计算机软件相关较少

1.物理层介绍

• 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 只需要考虑本层 的的协议和服务

1.1传输媒体分类

1.2物理层协议的主要任务

2. 物理层下的传输媒体（了解即可）

• 引导型传输媒体

  • 同轴电缆

  

  • 双绞线

  

  • 光纤

  

  • 电力线

  

• 非引导型传输媒体

  

  • 无线电波

  

  • 微波

  微波延直线传播，且不会被地球电离层进行反射

  在传播时需要建立信号塔

  

  • 红外线

  

  • 可见光

3. 传输方式

3.1 串行传输与并行传输

• 串行传输
  • 发送端和接收端直接有一条传输线路
• 并行传输
  • 发送端和接收端之间有n条传输线路

3.2 同步传输与异步传输

• 同步传输：

  • 数据库以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔

  

  • 在使用过程中，时钟误差累积，需要时钟同步方法

  

• 异步传输：

  异步指的是：字节之间的时间间隔不固定

  但字节中的每个比特仍然要同步（各比特持续时间是相同的）

  

  • 以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的

3.3 单工（Duplex）、半双工、全双工

• 单项通信

  无线电

  • 定义：通信双方只有一个数据传输方向

  

• 双向交替通信

  对讲机

  • 定义：通信双方有两个数据传输方向，但不能同时进行

  

• 双向同时通信

  电话

  • 定义：通信双方有两个数据传输方向

  

4 编码与调制

消息传播为电信号的过程

• 信道
• 数字信道
• 模拟信道

4.1 编码

例：

数字基带信号：以太网使用曼彻斯特编码，4B/5B,8B/10B

模拟基带信号：对音频信号进行编码的脉码调制PCM

• 定义：仅对基带信号的波形进行变换
• 变换后仍为数字信号，可在数字信道中传输

4.2 调制

例：

数字基带信号：WiFi使用补码监控、直接序列扩频…

模拟基带信号：传统电话

• 定义：把数字信号的频率范围搬移到较高频段，并转换为模拟信号

4.3 码元

4.4 信号与传输媒体关系

基带信号通过编码或调制的方法，在相应信道进行传输

4.5常用编码

4.5.1 不归零编码（计算机中不使用，NRZ）

• 正电平代表1，负电平代表0，不出现零电平
• 需要额外的一条时钟信号

4.5.2 归零编码（效率低下，RZ）

• 出现零电平
• 归零表示时钟信号

4.5.3 曼彻斯特编码（以太网应用）

• 中间时刻跳变，正跳变表示1，负跳变表示0

4.5.4 差分曼彻斯特编码

• 跳变表示时钟信号
• 码元开始处是否发生变化表示数据

4.6基本调制方法

数字基带信号

• 三种调制方法

通常情况，相位可以和振幅一起调制，称为正交振幅调制（QAM）

且码元与比特的对应关系不能随便定义，

5. 信道的极限容量

5.1 失真

5.2 信道传输速率

数据传输速率（比特率） = 波特率 * 每个码元所含有的信息量

$$码元所含有的信息量=\log 2^{波形的种类}$$

• 奈氏准则

• 香农公式

  

• 总结：

例题：

1. 基本理解

   

2. 综合应用