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一、基本概念

在计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多。大致可以分为两类：

• 导引型传输媒体。
  常见的有双绞线、同轴电缆、光纤
• 非导引型传输媒体。
  常见的有微波通信。例如使用2.4GHz和5.8GHz频段的WIFI。

计算机网络结构中的物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题。进而给数据链路层提供透明比特传输的服务。所谓透明是指数据链路层看不见也无需看见物理层究竟使用的而是什么方法来传输比特0和1的。它只管享受物理层提供的比特流传服务即可。

物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，主要有以下四个任务：

• 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。

由于传输媒体的种类众多，例如双绞线、光纤等。物理连接方式也很多，例如点对点连接、广播连接等。因此物理层协议种类就比较多，每种物理层协议都包含了上述四个任务的具体内容。

学习物理层时，重点应该放在掌握基本概念上，而不是某个具体的物理层协议。

二、物理层下面的传输媒体

⭐请注意，传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层。

传输媒体可分为两类：

1. 导引型传输媒体
   在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播。
   常见类型：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线
2. 非导引型传输媒体
   非导引型传输媒体是指自由空间。
   可使用的电磁波有无线电波、微波红外线、可见光

2.1 导引型传输媒体

1. 同轴电缆

内导体铜质芯线：可以是单股实心线或者是多股绞合线

2. 双绞线

最古老又常用的传输媒体
把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后按照一定的而规则绞合起来就构成了~~

3. 光纤

光纤比较细， 因此必须将它做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则包括数十至数百根光纤。

• 1. 光在光纤中传输的基本原理
     
     

该过程反复进行，光也就沿着光纤传输下去

• 2. 多模光纤

实际上，只要从纤芯中射到纤芯表面的光纤的入射角大于某一个临界角度，即可产生全反射。因此，可以存在许多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。这种光纤称为多模光纤。
由于光的色散问题，光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真。也就是脉冲展宽。

• 3. 单模光纤

若光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就会像一根波导那样，它可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射。这种光纤称为单模光纤。

4. 电力线

实例：电力线电话

2.2 非导引型传输媒体

1. 无线电波

这些频段不用于电信领域

高频和甚高频频段，主要是靠电离层的反射。

2. 微波
   

微波在空间主要是直线传播。(波长1m~1mm)
由于微波会穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。
传统的微波通信主要有两种方式：

1. 地面微波接力通信
2. 卫星通信

由于微波在空间主要是直线传播的，而地球表面是个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50公里左右，但是通过使用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100公里。
为实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为“接力”。

常用的卫星通信方法是在地球站之间，利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。其最大特点是通信距离远。相应地，传播时延也比较大，一般在250~300ms之间。

低轨道通信卫星系统已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。

3. 红外线中间不能有障碍物，传输距离短。

红外通信属于点对点无线传输。
现在笔记本电脑已经淘汰掉了红外线接口，但很多智能手机还带有红外接口，以方便用户对电视、空调等加用电器进行红外遥控。

4. 可见光

比WIFI更高大上的LIFI出现，即可见光通信。
目前LIFI还处于实验研究阶段

三、传输方式

3.1 串行传输|并行传输

1. 串行传输

指数据值一个比特一个比特一次发送的。因此在发送端和接收端之间只需要一条数据传输路线即可。

2. 并行传输

指一次发送n个比特而不是一个比特。因此在发送端和接收端之间需要n条数据传输路线。
优点：是串行传输速度的n倍
缺点：成本高

• 思考问题

在计算机网络中，数据在传输线路上的传输采用的是串行传输还是并行传输？
串行传输

计算机内部的数据传输方式，常常采用并行传输方式。例如CPU与内存之间，通过总线进行数据传输。常见的总线宽度有8位、16位、32位、64位。

3.2 同步传输|异步传输

1. 同步传输

采用该方式，数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接受端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接受到的是比特0还是比特1。
同步传输是指每一个数据位都是用相同的时间间隔发送，而接收时也必须 发送 时的相同时间间隔接收每一位 信息
由于不同设备的时钟频率存在一定差异，在传输大量数据的过程中，所产生判别时刻的累计误差会导致接收端对比特信号的判别错位。因此需要采取方法使接受双方的时钟保持同步。

• 外同步 ：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
  发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号。接收端按照时钟同步信号的节奏来接收数据。
• 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）

2. 异步传输

以字节为独立的传输单位。
异步指字节之间异步（字节之间的时间间隔不是固定的），但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）
接受端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常在每个字节前后分别加上起始位和结束位。

3.3 单工通信|半双工通信|全双工通信

1. 单工通信（单向通信）

通信数据双方只有一个数据传输方向。
例如无线电广播

2. 半双工通信（双向交替通信）

通信双方可以相互传输数据，但是不能同时进行
例如对讲机

3. 全双工通信 (双向同时通信)

通信双方可以同时发送和接受信息。
例如电话

• 总结

单工通信只需要一条信道，双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。

四、编码与调制

在计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字，图片，音频和视频。可以统称为消息。数据是运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据，也就是比特0和比特1。计算机中的网卡将比特0和比特1变换成相应的电信号发送到网线。也就是说，信号是数据的电磁表现。由信源发出的原始电信号称为基带信号。
基带信号可分为两类：

1. 数字基带信号
   例如，计算机内部CPU与内存之间传输的信号。
2. 模拟基带信号
   例如，麦克风收到声音后产生的音频信号。

信号需要在信道中进行传输。信道可分为两类：

1. 数字信道
2. 模拟信道

• 对数字基带信号处理

在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。
例如，以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码。
把数字信号的频率范围搬移到较高的频段并转换为模拟信号，称为调制。调制后产生的信号是模拟信号。可以在模拟信道中传输。
例如，WIFI使用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方法。

• 对模拟基带信号处理

编码应用：对音频信号进行编码的脉码调制PCM。也就是将模拟音频信号通过采样、量化、编码这三个步骤进行数字化。
调制应用：

1. 将语音数据加载到模拟的载波信号中，例如传统的电话。
2. 频分复用FDM技术，可以充分利用带宽资源。

• 码元

在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。称为~。简单来说，码元就是构成信号的一段波形。

例如下图是一个调频信号。
这一段绿色部分是构成该信号的一个基本波形，我们可称其为码元。它可以表示比特0也可以表示比特1。这一段蓝色部分是构成该信号的另一个基本波形，也称为码元，它可以表示比特1。可见，该信号由两种码元构成。

• 传输媒体与信道的关系

严格来说，传输媒体和信道不能直接划等号。

• 单工传输：传输媒体只包含一个信道。要么是发送信道，要么是接收信道。（通信数据双方只有一个数据传输方向）
• 半双工和全双工传输：传输媒体要包含两个个信道。一个是发送信道，另一个是接收信道。
  若使用信道复用技术，一个传输媒体还可以包含多个信道。

在计算机网络中，常见的是将数字基带信号通过编码或调制的方法在相应信道进行传输。

4.1 常用编码

1. 不归零编码

不归零：指在整个码元时间内，电平不会出现零点平。（码元就是构成信号的一段波形）

接收方如何判断是几个码元？
这需要发送方的发送与接收方的接守左到严格的同步。这就需要额外一根传输线来传输时钟信号，是发送方和接收方同步。接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元。

对于计算机网络，宁愿用这根传输线传输数据信号，而不是传输时钟信号！由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

2. 归零编码

优点：自同步
缺点：编码效率低

3. 曼彻斯特编码⭐

在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。
例如，负跳变表示比特1（高->低），正跳变表示比特0（低->高）

• 差分曼彻斯特编码

在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变
比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率

如上图所示，3处没有发生电平变化

• 题目练习

10BaseT:

• 10：带宽为10Mb/s
• Base：基带传输
• T：双绞线

4.2 基本调制方法

调幅信号：由两种不同振幅的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量。
调频信号：由两种不同频率的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量。
调相信号：由两种不同初相位的基本波形构成。每个基本波形只能表示1比特信息量。

• 如何使一个码元包含更多比特呢？

可以采用混合调制方法。

简谐振动知识（还未写这篇文章 后期会补充）

• 混合调制
• • 正交振幅调制QAM

• 每个码元与4个比特的对应关系可以随便定义吗？

假设A,B,C,D,E是接受端接收到的5个码元，这5个码元原本都是表示4个比特0的。由于传输过程中产生失真，导致它们在星座图中并未落在理想位置。
码元A，B，C都可以被解调为0000（正确）
码元D被解调为0001（1位错位）
码元E被解调为1111（4位全错）
这说明每个码元与4个比特位的对应关系不能随便定义。

码元与4个比特的对应关系应采用格雷码
也就是任意两个相邻码元只有一个比特位不同
这样会避免出现4位全错的情况

五、信道的极限容量

信号在传输过程中会受到各种因素的影响。

如图所示，这是一个数字信号，当它通过实际的信道后，波形会产生失真。

• 当失真不严重时，在输出端还可以根据已失真的波形还原出发送的码元。
• 当失真严重时，在输出端很难判断这个信号在什么时候是1和在什么时候是0.。
  信号波形失去了码元之间的清晰界限，这种现象叫作码间串扰。

• 奈氏准则
  

我们上个章节中介绍的调幅、调频以及调相这三种基本调制方法，它们属于二元调制，只能产生两种不同的码元，也就是两种不同的基本波形。因此每个码元只能携带1比特的信息量。而混合调制属于多元调制。例如QAM-16可以调制出16种不同的码元。因此每个码元可以携带4比特的信息量。

• 香农公式
  
  
• 题目

1. 
2. 

不管题目给出的调制技术多么"牛"或对于我们而言有多陌生，这都不会影响我们解题。
我们只需关心这种调制技术可以调制出多少个不同的基本波形（码元）即可。

3. 
4. 
5. 

习题课

1. 
2. 

3. 说明：如果题目没有特别指明信道是带通信道，也就是给出了频道信率的上下限，则信道属于低通信道。

4. 
5. 
6. 
7. 

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总结