04 物理层基本概念

0.物理层接口特性

物理层解决如何在连接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——>定义标准。

• 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况等。
  
• 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，就扣部件的信号线的用途。
• 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

1.数据通信的基本模型，以家用电话网为例就是信号调制解调的过程

调制解调器就是以前常见的“猫”

2.同步传输&异步传输

同步传输：在同步传输模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需要送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。同步传输是在接收方知晓的情况下进行的。

异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的一个字符或者更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

3.码元&速率&波特&带宽

码元是指用一个固定时长的信号波形，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号计量单位，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>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0和1，因此1码元即1比特。而4进制码元有00 01 10 11四种状态，每个码元携带2比特信息量

速率：指数据的传输速率，表示单位时间内发送端可以发送的数据量（不是链路上的速率）,可以用码元传输速度和信息传输速率表示。

1）码元传输速率：码元/s，1s内传输多少码元。单位时波特，又叫波特率。

2）信息传输速率：b/s，1s传输多少个比特

带宽：

 1）模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率降低到输入功率的一半时（-3dB).最高频率和最低频率的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹（Hz)

2)数字设备中：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。单位是比特每秒（bps)。

4.奈氏准则

信号在传输过程中由于干扰、噪声等原因会发生失真

当失真比较严重时，接收方将无法识别。
影响失真程度的因素：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

信号的频率过低或者过高都将发生严重失真。频率过低则衰减没了，能量低。频率过高，则接收方来不及识别，又叫码间 串扰。

信道带宽：信道能通过的最高频率与最低频率之差  此处为3300-300Hz

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则（奈奎斯特定理）：在理想低通（无噪声、带宽受限）条件下，为了避免码间干扰，极限码元传输速率为2W Baud(波特），W是信号带宽，单位是Hz。

由奈氏准则引出：

• 在任何信道中，码元的传输速率是有上限的。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识别称为不可能。
• 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速度进行码元的有效传输
• 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。
• 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，就必须设法使马哥码元能携带更多比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

5.香农定理：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。因此，信噪比就很重要。

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)作为计量单位，即：

       信噪比（dB)=10log10(S/N).

由香农定理可以引出：

• 信道的带宽或者信道中的信噪比越大，则信息的传输速率就越高。
• 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
• 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。
• 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
• 从香农定理可以看出，若信道带宽W和信噪比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上限。

奈氏准则&香农定理比较

奈氏准则：基于带宽受限而不考虑噪声  要想提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术

香农定理：带宽受限且考虑噪声            要想提高数据率，就要提高带宽/信噪比