【计网】物理层

2.1 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。

物理层协议的主要任务	描述
机械特性	指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
电气特性	指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
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。
过程特性	指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 物理层下面的传输媒体

2.2.1 引导型

2.2.2 非引导型

2.3 传输方式

2.3.1 串行/并行

2.3.2 同步/异步

• 收发双方时钟同步的方法
  • 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
  • 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼彻斯特编码）

• 字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
• 字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间是相同的）

2.3.3 单工/半双工/全双工

2.4 编码与调制

2.4.1 常用编码

• 曼切斯特编码：码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。
• 差分曼切斯特编码：跳变表示时钟，码元开始处电平是否发生变化表示数据。有变化表示0，无变化表示1

2.4.2 基本调制方法

2.5 信道的极限容量

• 信号在传输过程中可能会发生失真，而引起失真的因素可能是
  • 码元传输速率
  • 信号传输距离
  • 噪声干扰
  • 传输媒体质量
• 信道的极限容量有两个公式：奈氏准则和香农公式
• 在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。

2.5.1 奈氏准则

奈氏准则：在假定的理想调剂下，在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud=2W码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率=WBaud=W码元/秒

• 码元与比特率：码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系：
  • 当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的;
  • 当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n。
• 要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。
  基本调制是二元制，混合调制是四元制。
• 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。

2.5.2 香农公式

香农公式：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
$$c=W\ast lo{g}_2(1+S/N)$$

C：信道的极限信息传输速率(单位：b/s)
W：信道带宽(单位：Hz)
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N:信噪比，使用分贝(dB)作为度量单位
信噪比 (dB) = 10 x log_10(1+S/N) (dB)

• 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
• 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。