物理层

一、物理层的基本概念

1.什么是物理层？

物理层是OSI的第一层，是整个开放系统的基础。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。

 

2.物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性：

（1）机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。

（2）电气特性：信号电平，信号的脉冲宽度和频率，数据传送速率，最大传输距离等,并指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。即什么样的电压表示“1”或“0”。

（3）功能特性：说明接口信号引脚的功能和作用。

（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

 

3.物理层在通信线路上的传输方式：

一般都是串行传输，即一个比特一个比特地按照时间顺序传输。但是，有时也可以采用多个比特的并行传输方式。物理层要完成传输方式的转换.远距离的传输通信都是串行传输.物理层的协议种类多，因物理连接方式多:点对点、多点连接、广播连接

 

二、数据通信的基础知识

1.数据通信系统的模型

PC机（发出数字比特流）->调制解调器（发出模拟信号）->共用电话网络（传送模拟信号）->调制解调器（发出数字比特流）->PC机

公用电话网络是传输系统，传输系统的左边是源系统，右边是目的系统

 

2.数据通信系统的构成：

（1）源系统：包括源点（信源）和发送器，源点是产生通信网络要传送的数据的设备，发送器是对发送数据进行编码的设备，以便数据在传输系统上的传送

（2）目的系统：包括终点（信宿）和接收器，终点是终点设备从接收器接受来的信息，接收器则是将传送来的信息转换成能被终点设备接受的信息的设备。

（3）传输系统： 可以是简单的数据通信网络

在数据通信系统中常用的几个术语：

（1）信息：话音、文字、图像等

（2）数据：运送信息的实体

（3）模拟数据：反映的是连续的值（比如声音，视频，温度，压力等）

（4）数字数据：反映的是离散的值（比如整数，ASCII文本等）

（5）信号：数据的电气的或电磁的表现

（6）模拟信号：连续变化的电信号，通常表现为正弦波

（7）数字信号：离散变化的电信号，通常表现为矩形波

（8）信号带宽：最高频率与最低频率的差值

信息编码与数据编码：将信息用二进制数表示的是信息编码，把信息编码后的二进制数用波形来表示则是数据编码

在信道上是不能传输二进制位的信息和数据的，所以才需要进行信息编码和数据编码将数据转换为信号，然后通过调制改变信号的频率和幅度以及相位，使得信号能够在信道上传输：

编码：数据->适合传输的数字信号——便于同步、识别、纠错

调制：数字信号->适合传输的形式——按频率、幅度、相位

解调：接收波形->数字信号

解码：数字信号->原始数据

 

3.有关信道的几个概念

信道分为数字信道和模拟信道两种，其中信号在信道上的通信方式有三种：单工，半双工，全双工

（1）单工通信：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互

（2）半双工通信：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送或同时接受

（3）双工通信：通信的双方都可以发送信息，并同时发送和接收信息

实现双工通信需要两条独立的传输线路或是具有一条物理线路上的两个信道，分别用于不同方向的信号传输

4.基带信号与带通信号

（1）基带信号（基本频带信号）：来自信源的信号，将数字信号1或0直接用两种不同的 电压表示，然后送到线路上去传输。由于基带信号一般频率较低，且可能有直流成分，所以许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此，基带信号必须被调制

（2）带通信号（宽带信号）：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（所以在信道中，只有一段的频率范围中信号是可以通过的）

 

5.数字信号的编码问题

码元是承载数据的基本信号单元，所以在使用二进制编码的时候，有两种码元 0状态和1状态。数字信号是离散的脉冲序列，每个脉冲代表一个信号单元，就是一个码元，数字信号的编码问题就是如何把数字数据用物理信号（如电信号）的波形来表示。

*波特和比特的区分：

（1）波特是码元传输的速率单位（即每秒传多少个码元）。码元传输速率也称为调制速率、波形速率或符号速率。

（2）比特是信息量的单位

信息的传输速率“比特/秒”与码元的传输速率“波特”在数量上有一定关系。1个码元一般会携带n个比特的信息量。因此，码元传输速率一般是信息传输速率的n倍。

波特率指数据信号对载波的调制速率，他用单位时间内载波调制状态改变次数表示，其单位为波特，波特率与比特率的关系为：

比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数

 

三、信道的极限容量

1.信道都不是理想的，码元传输速率越高，或信号传输的距离越远，信道的输出端的波形失真就越严重。信道的极限容量原则有两个：奈氏准则和香农公式，这两个原则分别说明了两个观点：码元传输的速率是受限的以及信息传输速率是受限的。

限制码元在信道上的传输速率有两种：信道能够通过的频率范围和信噪比

信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，记为S/N

如果用分贝db来度量信噪比：信噪比（bd）=10log10（S/N）（db）

信道容量：表征一个信道传输数据的能力，受频带宽度的限制。实际传输信号的最高频率必须子啊信道频带之内，超过上限时，信号码元就会重叠。

信道中的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高

 四、物理层下面的传输媒体

1.传输媒体就是数据传输系统在发送器和接收器之间的物理通路，可以分为两大类：导引型（双绞线、光纤、同轴电缆等）和非导引型（自由空间，通过红外线，激光等传输）

 *在电磁波传递信息的过程中，“载波”是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波，实际上也是一种声音信号。就是有一种波段将承载着传递发出的信号。同时这当中成为载波的波段就是电磁波本身。

2.频谱和带宽，信号的频谱就是它所包含的频率范围，信号的带宽就是它的频谱的宽度。信道的带宽指信道能传送的频率范围，信道带宽必须大于被传送的信号的带宽，否则会出现失真。

3.导引型的传输媒体：

（1）双绞线：双绞线分为屏蔽双绞线和无屏蔽双绞线，有无金属丝屏蔽层就是判别的依据。双绞线是把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方式合起来就构成了双绞线。双绞线绞合的方法可以使相邻导线之间的电磁干扰减少，绞合密度越大，抗干扰能力越强。

 

（2）同轴电缆：分为50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆，前者多用于数字传输 ，后者多用于模拟传输，同轴电缆的带宽取决于电缆长度，现在同轴电缆已经大量被光纤取代

（3）光缆：频率大概在10^8MHZ左右，一根光缆可以包含二至几百根光纤。光纤在发送端有光源，采用发光二极管或半导体激光器，在电脉冲的作用下产生光脉冲。光纤的传输利用率光的反射，当入射角大于等于临界值时会产生全反射，不会泄露。存在多条不同角度入射的光纤在一条光纤中传输，就成为多模光纤。如果只有一个光的波长，不会产生多次反射，称为单模光纤。

 

 五、信道复用技术

多路复用：指的是利用同一信道，传送多路互相独立的信号。在一个物理信道上传输多路信号（共享信道资源）。

1.频分多路复用：将信道的可用频带按频率分割多路信号，划分为若干互不交割的频段。每路信号占据其中一个频段。从而形成许多个子信道。在接收端用适当的滤波器将多路信号分开。

 

 

 频分复用的信道利用率高，且频带宽度越大，可容纳用户数越多，但是设备复杂操作有困难。

2.时分多路复用

当传输介质所能达到的数据传输速率超过各路信号的数据传输速率的总和时，可以将物理信道按时间分成若干时间片轮换地分配给多路信号使用。将时间划分为一段段等长的时分复用帧。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现的，一般时分复用对信道的利用率并不高。

 3.统计时分复用

是一种改进的时分复用，又称“统计时分复用”，把公共信道的时隙实行“按需分配”，即只对那些需要传送信息或正在工作的终端才分配给时隙。是服务的终端数大于时隙的个数，提高了媒质的利用率。

 4.波分多路复用

实际上是光的频分复用，利用了光具有不同的波长的特征。

 5.码分多路复用

每一个用户可以在同样的时间内使用同样的频带进行通信，由于个用户使用经过特殊挑选的不同码型，所以不会造成干扰，现用于移动通信和无线网络通信。

码片序列：代表某个站要发送的比特的二进制序列。如，某个s站要发送1，则码片序列为00011011.发送0，则是该码片序列的反码11100100。习惯上将s站的码片序列用-1代表0.+1代表1，如（-1，-1，-1,1，1，-1,1,1,）。

每个站的码片序列必须不同，而且要确定两个站之间要交换信息，两个站之间的码片序列必须要正交。比如有S站和T站，两个站的码片序列分别为(–1， –1，–1，+1， +1 ，–1，+1 ，+1)以及(–1 ，–1，+1， –1，+1， +1 ，+1， –1)两个序列正交必须为0