449 KiB
物理层
基本概念
物理层需要考虑如何传输比特流，而不关心到底使用何种媒体传输数据。具体传输数据的层次是第$0$层。
通信简述
通信流程
信源->数字信号->调制解调器->模拟型号->广域网->模拟信号->调制解调器->数字信号->信宿。
- 数字信号：取值离散。
- 模拟限号：取值连续。
- 信源：发送数据的源头。
- 信宿：接受数据的终点。
- 信道：信号的传输媒介。
- 模拟信道、数字信道。
- 有线信道、无线信道。
通信方式
- 单工通信：只能单方面通信，只需一条信道。
- 半双工通信：能发送和接受，但是不能同时发送接收，需要两条信道。
- 全双工通信：都能发送与接受，需要两条信道。
传输方式
- 串行：速度慢、费用低、适合远距离。
- 并行：速度快、费用高、适合近距离。
信号类型
- 基带传输：
- 将数字信号$10$直接用两种不同的电压表示，不用调制，直接送到数字信道上传输。
- 是来自信源的信号，如计算机输出的表示文字或多媒体的数据信号，即发出的直接表达了要传输的信息的信号。
- 传输媒体整个带宽都被基带信号占用。
- 近距离，通常用于局域网。
- $1010$使用高低高低电平表示。
- 频带传输：
- 将基带信号对特定频率的载波进行调制后进行的频分复用模拟信号，再传输到模拟信道上传输。
- 将低频的基带信号进行载波调制后将信号的频率范围移动到较高频段以便在信道中传输。
- 远距离，与无线传输。
- 不仅解决电话系统传输数字信号问题，还可以实现多路复用。
- 传输一个码元$A$就相当于$1010$。
- 宽带传输：
- 基于频带传输，使用频分复用等技术将链路容量分解为两个或多个信道，每个信道可以携带不同的信号。
- 信道直接互不干扰，提高效率。
传输单位
码元
定义：码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表离散数值的基本波形。这个时长内的信号就是$k$进制码元，时长就是码元宽度，当有$M$个离散状态时，成为$M$进制码元。
一个码元可以携带多个比特的信息。
波特（Baud）
指一秒可以传输多少个码元（电平）。一波特就是一码元一秒。
比特率=波特率$\times\log_2$码元表示有效离散值个数。
速率
分为信息传输速率与码元传输速率。
信息传输速率就是$b/s$，就是我们平常说的网速。
码元传输速率就是指一秒可以传输多少个码元，即单位时间内脉冲个数或信号变化的次数。码元可以理解为几个比特的集合，所以信息传输速率（网速）=码元传输速率x码元所带信息量（多少比特）。单位为波特。波特传输率与进制无关。
码元所带信息量（比特数）=$\log2,$码元进制数（码元种数）。
带宽（Band Width）
用来表示最高数据速率。
信道带宽指信道最高通过频率与最低通过频率之差，单位为赫兹。
传输准则
奈式准则（奈奎斯特定理、Nyquist）
奈氏准则规定避免码间串扰的低通信道最高码元传输速率。
在理想低通条件下，避免码间串扰：
- 极限码元传输速率=$2\times$信道带宽，单位为波特。
- 极限数据传输速率=$2\times$信道带宽×$\log2,$码元种数，单位为$b/s$。
- 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，就必须设法使每个码元能携带更多的个比特量的信息，这就需要多元制的调制方法。
- 信道频带越宽，即能通过的信号高频分量越多，就可以用更高速率进行码元的有效传输。
香农定理（Shannon）
香农定理规定带宽首先且高斯噪声条件下最高数据传输速率。
信噪比=$10\lg(信号的平均功率÷噪声的平均功率)$，单位是分贝（$dB$），或为信号的平均功率÷噪声的平均功率，这是一个单纯的比值。
采用分贝表示的原因是很多时候，信号要比噪声强得多，比如信号比噪声强$10$亿倍，如果用数值表示的话，那么$1$后面有$9$个$0$，很容易丢失一个$0$。如果用分贝表示只为$90dB$，要简单得多，而且不容易出错。分贝对于表示特别大或特别小的数值极为有利，这种表示方式在电子通信领域用途很广。
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。
极限数据传输速率=信道带宽×$\log2$($1+信噪比)$=信道带宽×$\log2$($1+信号的平均功率÷噪声的平均功率)$，单位为$b/s$。
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式来实现无差错传输。
奈氏准则与香农定理区别
奈氏准则指出，码元传输的速率是受限的，不能任意提高，否则接收端就不能正确判定码元所携带的比特是$1$还是$0$（因为存在码元之间的相互干扰）。
奈氏准则是在理想条件下推导出来的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值小很多。电信技术人员的任务就是要在实际条件下，寻找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。
需要注意的是，奈氏准则并未限制信息传输速率（$b/s$）。
要提高信息传输速率，就必须使每个传输的码元能够代表许多比特的信息，这就需要有很好的编码技术。但码元所载的比特数确定后，信道的极限数据率也就确定了。
香农定理给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（单位为$Hz$）和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了，这个极限是不能突破的。要想提高信息传输速率，要么设法提高传输线路的带宽，要么设法提高所传信道的信噪比，此外没有其他任何办法。
香农定理告诉我们，若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法:要么使用无限大的传输带宽（这显然不可能)，要么使信号的信噪比无限大，即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率（显然这也不可能）。
奈氏准则和香农定理中“带宽”的单位都是$Hz$。
注意：当没有给信噪比的条件就只能使用奈氏准则，而如果当给出了信噪比与码元种数时，就需要同时使用奈氏准则与香农定理，然后取较小值作为答案。
编码
即将数据转换为数字信号。
数字数据到数字信号
数字数据通过数字发送器转换为数字信号。
编码方式：
- 非归零编码（$NRZ$）。
- 曼彻斯特编码。
- 差分曼彻斯特编码。
- 归零编码（$RZ$）。
- 反向不归零编码（$NRZI$）。
- 4B/5B编码。
- 非归零编码：高$1$低$0$。非常容易实现，但是没有检错功能，却无法判断一个码元的开始与结束从而很难保持收发双方的同步。
- 曼彻斯特编码：同$0$异$1$，即下一个频率电平变化则代表下一位为$1$，不变化则为$0$。每一个码元中间都会产生电平调变，所以中间的跳变既可以作为时钟信号用于同步，也可以用于数据信号，但是其占有的频带宽度是原基带宽度的两倍。因为每一个码元被调制为两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的一半。
- 差分曼彻斯特编码：同$1$异$0$，若码元为$1$，则前半段与上一个码元的后半个码元电平相同，若为$0$则相反。每个码元中间同样有电平跳变可用于同步，抗干扰性也强于曼彻斯特编码。
归零编码：折$1$平$0$，信号电平在一个码元内都要恢复到$0$。信道使用率低，基本上都是无使用。
反向不归零编码：折$0$平$1$，信号电平翻转表示$0$，不变表示$1$。对于全$1$的数据同步效果不好。
| 十进制数 | 4位二进制数 | 4B/5B编码 | 十进制数 | 4位二进制数 | 4B/5B编码 |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | 0000 | 11110 | 8 | 1000 | 10010 |
| 1 | 0001 | 01001 | 9 | 1001 | 10011 |
| 2 | 0010 | 10100 | 10 | 1010 | 10110 |
| 3 | 0011 | 10101 | 11 | 1011 | 10111 |
| 4 | 0100 | 01010 | 12 | 1100 | 11010 |
| 5 | 0101 | 01011 | 13 | 1101 | 11011 |
| 6 | 0110 | 01110 | 14 | 1110 | 11100 |
| 7 | 0111 | 01111 | 15 | 1111 | 11101 |
$4B/5B$编码：$4$位码转换为$5$位码，比特流中插入额外的比特来打断一连串的$0$或$1$，编码效率为$80%$。只采用$16$种对应$16$种不同的位码，其他$16$种作为控制码，控制帧开始与结束以及线路状态等或保留。
模拟数据到数字信号
因为计算机内部都是二进制数据，如处理的是数字音频，所以需要将模拟声音通过采样、量化转换位有限个数字表示的离散序列，这就是音频数字化。
- 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变为时间上的离散信号。采样频率遵循采样定理。
- 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转换位对应的数字值并取整，于是连续的电平幅值就变为离散的数字量。
- 编码：把量化结果转换为与之对应的二进制编码。
音频信号模拟数据通过$PCM$（脉冲编码调制）编码器转换为数字信号。
采样定理：采样频率$\geqslant2$信号最高频率。
调制
即将数据转换为模拟信号。
同时在接收端解调模拟信号转为数字信号。
数字数据到模拟信号
数字数据通过调制器转换为模拟信号。
- 幅移键控（调幅$ASK$）。通过改变载波信号的振幅来表示数字信号$1$和$0$，而载波的频率和相位都不改变。比较容易实现，但抗干扰能力差。
- 频移键控（调频$FSK$）。通过改变载波信号的频率来表示数字信号$1$和$0$，而载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用较为广泛。
- 相移键控（调相$PSK$）。通过改变载波信号的相位来表示数字信号$1$和$0$，而载波的振幅和频率都不改变。它又分为绝对调相和相对调相。
- 正交振幅调制（$QAM$）。在频率相同的前提下，将$ASK$与$PSK$结合起来，形成叠加信号。设波特率为$B$，采用$m$个相位，每个相位有$n$种振幅，码元类型=相位数×振幅数。则该$QAM$技术的数据传输速率$R$为$R=B\log_2(mn)$，即为波特率×$\log_2,$(相位数×每相位振幅数)。
模拟数据到模拟信号
模拟数据通过放大调制器转换为模拟信号。
将低频信号调制为高频信号。
传输媒介
是数据传输系统种在发射设备与接受设备之间的物理通路（信道是逻辑通路）。
传输媒体并不是物理层。
- 导向性传输介质：电磁波沿着固体媒介（铜线或光纤）被导向传播。
- 非导向性传输介质：自由空间，如空气，水等等。
导向型传输介质
双绞线
- 是两根采用规则并排校合并绝缘的铜导线组成。绞合是减少电磁干扰。
- 根据有无屏蔽层分为屏蔽双绞线（$STP$）和无屏蔽双绞线（$UTP$）。$UTP$外加上金属网就是$STP$。
- 通信距离为几到数十公里。
- 距离太远需要使用放大器放大模拟信号，中继器整形数字信号。
同轴电缆
同轴电缆由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。
- $50\Omega$：基带同轴电缆。用于局域网。
- $75\Omega$：宽带同轴电缆。用于有线电视系统。
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆较双绞线具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。
光纤
- 传递光脉冲，带宽大于其他传输媒体。
- 实心纤芯与包层构成。
- 分为多模光纤与单模光纤。
| 定义 | 光源 | 特点 | 外观 |
|---|---|---|---|
| 单模光纤 | 一种在横向模式直接传输光信号的管线 | 定向性好的激光二极管 | 损耗小，适合远距离传输 |
| 多模光纤 | 有多种传输光信号模式的光纤 | 普通发光二极管 | 易失真，适合近距离传输 |
光纤特点：
- 传输损耗小，中继距离长。
- 抗雷电电磁干扰性能好。
- 保密性好，无串音干扰。
- 体积小重量低。
非导向性传输介质
- 无线电波：
- 全方向传播；
- 穿透率较强；
- 可远距离通信，主要用于电话通信。
- 微波：
- 固定方向传播；
- 频率高、频段广、数据率高；
- 分为地面微波接力通信与卫星通信；
- 卫星通信的优点：通信容量大、距离远、覆盖光、广播通信与多址通信；
- 卫星通信的缺点：传播时延长、受天气干扰大、误码率高、成本高。
- 红外线与激光：
- 固定方向传播；
- 需要转换为各自的信号格式再在空间中传播。
物理层接口特性
- 机械特性：规格、接口形状、引线数目、引脚数量、排列情况。
- 电气特性：电压范围、阻抗匹配、传输速率、距离限制。
- 功能特性：电平意义、接口部件的用途。
- 规程特性（过程特性）：工作规程和时序的关系。
物理层设备
网段在物理层互联时要求数据传输速率相同，但是上层协议可以不同。
中继器（RP、repeater）
也称为转发器，仅作用于信号电气部分，用于对数字信号进行再生和还原，对衰减的信号进行整形、放大（不仅仅是放大）。
中继器的两端：
- 网段而非子网。使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。
- 类型相同。
- 网络速度相同。
- 只负责发送而不关心是否有问题。
- 可以连不同媒体也可以连相同媒体。
- 不会存储转发所以一定要协议相同。
- $5-4-3$规则：采用粗同轴电缆的$10BASE5$以太网规范，$5$是指不能超过五个网段；$4$是指在这些网段中的物理层网络设备（中继器，集线器）最多不超过四个；$3$是指这些网段中最多只有三个网段挂有计算机。
注意：若网络设备具有存储转发的功能则能连接不同的协议，否则则不能。
注意：放大器和中继器都起放大作用，只不过放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大，而中继器放大的是数字信号，原理是将衰减的信号整形再生。
集线器（Hub）
集线器是多口中继器，功能类似，放大信号再转发到其他所有除输入端口外处于工作态的端口上。
- 不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备（广播）。
- 因为是广播所以有大的冲突域，不能分割冲突域。所以多少个计算机连入集线器，同时工作时就平分集线器拥有的带宽。
- 同时只能有两个设备进行通讯，只会传输信号。
- 只能在半双工状态下工作。
- 集线器连接的网络拓扑结构上属于星型。
- 当集线器的一个端口收到数据后立刻从除输入端口外的所有端口广播出去。
以太网上的集线器默认是$100Base-T$，即传输速率为$100Mb/s$。