物理层

物理层基本概念

物理层功能

机械特性：规定实现物理连接的各种设备的参数大小
电器特性：规定传输二进制比特时的电压范围等参数
功能特性：规定线路上不同电压的含义
规程特性：规定各条线路工作规程和时序关系

物理媒体

两者的区别：

物理层是规定实现数据传输的线路的参数，并不涉及实际的传输过程

物理媒体则是真正实现了数据的传输，一般将物理媒体视为第 0 层

数据通信基本知识

基本知识

信号
- 数字信号：传输的是离散的参数
- 模拟信号：传输的是连续的参数
信道
- 概念：信号的传输媒介；一条通信路通畅包含一条发送信道和一条接收信道
- 分类
  - 传输信号分类：数字信道；模拟信道
  - 传输介质分类：无线信道；有线信道
- 通信方式
  - 单工通信：只有一个方向的通信没有反方向的交互
    
    计算机 A 只能作为发送方；计算机 B 只能作为接收方；只需要使用一条发送信道
  - 半双工通信：通信的双方都可以作为接收或者发送方，但是不能够同时既作为接收方又作为发送方
    
    计算机 A 作为发送方，计算机 B 就只能作为接收方；两者可以对调；需要使用两条信道
  - 双工通信：通信的双方可以同时作为接收方和发送方
    
    计算机 A 在作为发送方的同时可以接收来自计算机 B 发送的内容；需要使用两条信道
传输方式
- 串行
  - 适用情况：速度慢，适合远距离传递，费用低
- 并行
  - 适用情况：速度快，适合近距离传递，费用高
    
    打印机和传真机会使用这种方式传输

性能指标

码元

概念：一个固定时长的信号波形（数字脉冲）
一个码元可以携带多个比特
码元的离散状态有 M 种时：每个码元携带的比特数量 = log2 M

16 进制码元：0000 表示一种码元，0001 表示另外一种码元…所以每个码元是四个比特

速率

码元传输速率
- 单位：波特（Baud）
- 概念：单位时间内传输的码元的个数（脉冲个数或者信号变化的次数）
- 码元传输速率和进制无关
信息传输速率
- 单位：bite（bit）
- 和码元传输速率的关系：每个码元携带的比特数 * 码元的个数 = 信息传输速率

编码和调制

信道上传输的信号

基带信号
- 概念：信源发出的没有经过调制的信号（模拟或者数字信号）
- 传输距离较近时，计算机网络都采用基带传输方式
宽带信号
- 概念：是将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号
- 主要用于网络电视和有线电视的视频广播

基带信号和宽带信号

编码

概念：数字数据和模拟数据转换为数字信号的过程称为编码
数字数据编码为数字信号
- 非归零编码
  - 概念：最简单的一种编码形式；使用高电压代表 1；低电压代表 0
  - 缺陷：收发双方难以保持同步
    
    如果二进制数据都是 1 或者 0，那么数字信号就是一条直线，接收方无法解析数字信号；需要借助辅助的信道知道每个码元的长度，用总长度除以每个码元的长度进行分段
- 归零编码
  - 概念：在一个码元内电压无论是否变化，最终都要变为低电压
  - 缺陷：信道中的电压长时间都处于低电压状态，利用率偏低
- 反向不归零编码
  - 概念：二进制数据 0 代表电压翻转（翻转是指和之前的前一个电压相反），二进制数据 1 代表不翻转
    
    区别于前两种高电压不代表 1，低电压不代表 0
  - 缺陷：二进制数据全为 1 时数字信号为一条直线
- 曼切斯特编码
  - 概念：一个码元划分成两个相等的间隔；前半为高电压，后半为低电压，表示二进制数据 1；前半为低电压，后半为高电压，表示二进制数据 0
  - 特点：数据传输速率（比特传输的速率）是调制速率（码元传输速率）的 1/2
    
    码元传输速率可以按照单位时间脉冲信号的个数进行计算；曼切斯特编码中一个码元有两次脉冲信号，所以这里的码元传输速率是 2Baud，但是实际的比特只传输了 1bit
- 差分曼切斯特编码
  - 概念：根据两个码元判断；前一个码元的后半部分和当前码元的前半部分相同，表示二进制数据 1；相反则表示0
  - 特点：抗干扰性强于曼切斯特编码编码
数字数据编码为模拟信号
- 调幅（2ASK）
  - 概念：对于二进制数据 0 和 1 设计不同的振幅大小；频率和相位不发生改变
- 调频（2FSK）
  - 概念：对于二进制数据 0 和 1设计不同的振动频率；振幅和相位不发生变化
- 调相（2PSK）
  - 概念：对于二进制数据 0 和 1 设计不同的相位；振幅和频率不发生变化
- QAM(调相 + 调幅)
  - 例子：4 个相位，每个相位 4 个振幅
    
    每个相位可以匹配 4 种不同的振幅，那么就会出现 4 种不同的码元，所以最后是 16 种码元
- 注意：
  - 这里只涉及到每个码元携带一个比特的情况，所以是2XSK；如果携带的比特数更多，那么设计的不同振幅，不同频率，不同相位也会更多
  - 相位：对于二进制而言，0对应的是余弦波，1对应的是正弦波，所以每个波的起始点的斜率是相反的
    
    如果是携带的比特数越多，那么相位越多，超出 3 个相位基本是不可能在图上画出来的
模拟数据编码为数字信号
- 抽样：将连续的模拟信号转为离散的信号；遵循的采样规则：f~~采样频率~~ ≥ 2f~~信号最高频率~~
  
  确定一个信号波，至少进行两次采样就可以得到信号波形状，如果对信号频率比较小的波进行两次采样，很有可能导致信号频率高的信号波无法被识别出来
- 量化：将每个离散的信号按照分级标度转化的整数数字
- 编码：将整数数字进行二进制编码
模拟数据编码为模拟信号
- 目的：防止模拟信号因为衰减过多导致最后无法识别，所以通过放大增强模拟信号