物理层及数据通信基础

物理层（Physical Layer）是计算机网络OSI模型中最低的一层。物理层规定:为传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性。简单的说，物理层确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。局域网与广域网皆属第1、2层。

物理层是OSI的第一层，它虽然处于最底层，却是整个开放系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，为数据传输提供可靠的环境。如果您想要用尽量少的词来记住这个第一层，那就是“信号和介质”。

1.概述

(a)主要任务：

       物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

(1)机械特性:指明接口所用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。

(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。

(b)重要术语：

(1)数据(data)——运送消息的实体。

(2)信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。

(3) “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。

(4) “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。

(5)码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

 

(c)传输方向：

(1)单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

(2)双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。

(3)双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

 

2.传输介质

    传输介质也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。传输介质可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。(区别在于电磁波是沿着固体传播或在自由空间里传播)

 (a) 影响数据正确传输的因素有：

Ａ、传输介质

Ｂ、数据传输速率

Ｃ、两个设备之间的通信距离

 

(b) 电磁波的频谱

3. 数据传输带宽

    在计算机网络中，根据传输介质的信道带宽可分为基带、频带和宽带。局域网中主要采用基带和频带传输，有线电视和无线局域网中主要采用宽带传输。

(1)基带传输：指数字脉冲信号在传输介质上保持数据波形按原样进行传输.

(2)频带传输：指把数字信号调制成模拟信号后再发送和传输，到达接收端再把音频信号解调成原来的数字信号.

(3)宽带传输：指比音频更宽的频带，是采用75Ω的CATV同轴电缆或光纤作传输介质，宽为300MHz。

 

4. 信道的极限容量

I. 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

II. 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

 

(a) 奈奎斯特准则

    奈奎斯特(Nyquist)定理：1942年，H.Nyquist证明，任何一个信号如果通过带宽为W(Hz)的理想低通滤波器，若每秒取样 2W次，就可以完整地重现该滤波过后的信号。在理想条件下(无噪音有限带宽 W的信道)，其最大的数据传输速率C（信道容量）为：

    式中：N为离散性信号或电平的个数。所以二进制数据信号的最大数据传输速率 C=2W

 

(b) 香农定理

    香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

    信道的极限信息传输速率 C 可表达为

       其中，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。 

 

(c) 奈奎斯特准则与香农定理比较

奈奎斯特准则: 用于理想低通信道，要求无码间干扰时，求最大速率，此速率单位是Baud。

香农定理: 用于非理想信道，有限带宽高斯噪声干扰，要求误码率为无穷小时，求最大速率，单位是bps

在非理想信道必须满足： C1≤ C2（C1为奈氏准则，C2为香农定理）

 

5. 信号的传输传播时延

  传输回路迟延：传播迟延和传输迟延。

      传播迟延：信号从发送终端,经过传输介质到达接收终端所需的时间

      传输迟延：信号从第一比特到最后比特发送完毕所需的时间

          定义：比率 a = Tp/Tx，反映不同的数据链数类型

 

6.  信息、数据与信号

(1)信息

    信息泛指那些通过各种方式传播的、可感受的声音、文字、图像、等所表征的某一特征事物的消息情报或者知识。

(2)数据

I. 模拟数据：在时间和幅值取值上都是连续变化的，例如声音、语音、视频和动画片等。模拟数据通常用传感器手机。

II. 数字数据：在时间上是离散的，在幅值上是通过量化的，它一般是由0、1构成的二进制代码组成的数字序列。

 

(3)信号

    信号是数据的具体物理表现形式，具有确定的物理描述，如电信号、光信号或者磁场强度等。

I. 模拟信号：是一种连续变化的电脉冲序列，例如电话语音信号、电视信号等，它是随时间变化的函数曲线

II. 数字信号：是离散的不连续的电信号，通常用“高”和“低”电平脉冲序列组成的编码来表示数据

 

7.数据调制与编码

    在计算机中的数据是用二进制0、1比特序列表示的，在物理上是用低电平和高电平来呈现的。由于在线路上传输的数据有模拟数据和数字数据，因而数据传输的通信信道有模拟信道与数字信道之分。为了便于不同数据在不同的信道中传输（适应不同的传输特性),在数据送入信道之前必须对其进行调制和编码。在通信系统中,数据的调制和编码可分为以下4种基本形式：

(a)数字数据的模拟调制

    数字数据的调制基于调幅、调频、调相3种调制技术，分别称为振幅键控、移频键控和移相键控。

 

(b)模拟数据的模拟调制

    对模拟数据进行模拟调制的目的：其一是将低频信号搬迁到较高的频带进行传输；其二是将模拟信号放大；其三是通过调制可以使用频分多路复用技术。模拟数据调制可通过调幅、调频和调相3种方法来实现。

 

(c)数字数据的数字编码

    数字数据的数字编码就是如何把数字数据用物理信号的波形表示，是用高低电平的不同组合来表示二进制的方法。常用的编码方式主要有3种：不归零编码、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。

 

(d)模拟数据的数字编码

    模拟数据的数字编码是把模拟数据转换为数字信号的编码方法。由于数字信号传输失真小、误码率低、传输速率高、便于计算机存储，所以将模拟数据数字化已成为必然趋势。

    模拟数据数字编码的最常用方法是脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM),PCM的工作过程包括3个步骤：采样、量化、编码。

参考资料：

1. 《计算机网络》

2. Boss的PPT

3. 物理层百度百科