计算机网络原理之物理层（一）

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，而不是具体的传输媒体。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

机械特性   指明接口所用的接线器的形状和尺寸，引线数目和排列，固定和锁定装置，等等。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

电气特性   指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围（-5V到+5V）

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。（规定-5V表示0，+5表示1）

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、数据通信的基础知识

2.1数据通信系统的模型

2.2常见的几个术语

通信的目的是传送消息（文字、图像、视频）

数据：信息在传输之前需要进行编码，编码后的消息就变成了数据

信号：数据在通信线路上传递需要变成电信号或光信号

模拟信号——代表消息的参数的取值是连续的

数字信号——代表消息的参数的取值是离散的

码元：在使用时间域的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元

从以上图片可以看出一个码元如果承载1个二进制位，就有2种波形，承载2个二进制位，就有4种波形，承载3个二进制位，就有8种波形。

数字信号和模拟信号的优缺点：

模拟信号在传输过程中如果出现信号干扰发生，波形发生变形，很难纠正

数字信号波形失真可以进行修复

模拟信号转化为数字信号：

2.3有关信道和调制

信道：信道（Channel）是信息传输的通道，即信息进行传输时所经过的一条通路，信道的一端是发送端，另一端是接收端。一条传输介质上可以有多条信道（多路复    用）。

单向通信：信号只能从乙方传输，任何时候都不能改变信号的传送方向。无线电广播或有线电视广播就是单工通信，信号只能是广播电台发送，收音机接收。

双向交替通信：信号可以双向传送，但是必须是交替进行，一个时间只能向一个方向传。有些对讲机就是用半双工通信，A端说话B端接听，B端说话A端接听，

不能同时说和听。

双向同时通信：即信号可以同时双向传送。比如我们手机打电话，听和说可以同时进行。

来自信源的信号通常称为基带信号（即基本频带信号）。

调制可以分为两大类。

（1）一类仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变化后的信号仍然是基带信号，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字

信号转换成另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码（coding）

（2）另一类则需要使用载波（carrier）进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输，经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在

一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

说明：不归0制编码方式可能导致在传输过程中码元紊乱，没有时钟频率；归0制编码方式带有时钟频率，可是会影响发送速率，消耗了传输时间；

曼彻斯特编码方式表示位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心向下跳变的代表1；差分曼彻斯特编码方式表示有跳变的表示0，无跳变的

表示1，在这个过程中，编码本身有一个内部跳变。

2.4信道极限容量（适用于数字信号）

（1）奈氏准则--码元的极限传输速率

有失真但是可以进行识别

失真大无法进行识别

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以使用更高速率传递码元而不出现码间串扰。

理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud

W是理想低通信道的带宽，单位为HZ。

Baud是波特，是码元传输速率的单位。

使用奈氏准则给出的公式，可以根据信道的带宽，计算出码元的最高传输速率。

（2）香农公式--信道的极限信息传输速率

信道的极限信息传输速率由电压、噪声、功率和码元的传输速率影响，码元的传输速率由W来影响

香农公式（适用于模拟信号和数字信号）

有噪声的信道的极限信息传输速率C：C=W log2（1+S/N）  （b/s）

式中，W为信道的带宽（以Hz为单位）；S为信道内所传信号的平均功率；N为信道内部的高斯噪声功率

信噪比

所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。即：

信噪比（dB）=10log10（S/N）（dB）

例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。