第 2 章 物理层
通信基础
基本概念
- 数据、信号与码元
数据：是指传送信息的实体
信号：是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。
模拟数据(或模拟信号)的取值是连续的；数字数据(或数字信号)的取值是离散
常用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。
- 信源、信道与信宿
信源是产生和发送数据的源头。
信宿是接收数据的终点
信道是信号的传输介质， 一条双向通信的线路包含一个发送信道和一个接收信道
单向通信。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播、电视广播等。
半双工通信。通信双方都可发送或接收信息，但任何 一方都不能同时发送和接收信息。
全双工通信。通信双方可同时发送和接收信息
- 速率、波特与带宽
1️⃣ 码元传输速率。又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元数(也称调制速率或符号速率)，单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输1个码元。码元既可以是多进制的，又可以是二进制的，码元速率与进制数无关。
2️⃣ 信息传输速率。又称比特率，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元数(即比特数)，单位是比特/秒(b/s)
波特和比特是两个不同的概念，但波特率与比特率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带 n 比特的信息量，则波特率MBaud 对应的比特率为 Mn b/s。
在模拟信号系统中，带宽 (又称频率带宽)用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)。
在计算机网络中 ，带宽用来表示网络的通信线路 所能传输数据的能力，即最高数据率;显然，此时带宽的单位不再是Hz，而是b/s。
信道的极限容量
- 奈奎斯特定理(奈氏准则）
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道， 否则在传输中就会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰
奈奎斯特定理规定:在理想低通(没有噪声，带宽有限)億道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2环波特，其中W是信道的频率带宽(单位为Hz)，若用『表示每个 码元的离散电平数目 (码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，若有16 种不同的码元， 则需要4 个 二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的4倍)，则极限数据率为
理想低通信道下的极限数据传输速率 =2Wlog2V (单位为b/s )
- 香农定理
香农定理给出了带宽受限具有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用该速率传输数据时， 不会产生误差。香农定理定义为：
信道的极限数据传输速率=W * log2(1+S/N)(单位为b/s）
信噪比 = 10 log10（S/N）
编码与调制
- 数字数据编码为数字信号
标准以太网 使用的就是曼彻斯特编码，而差分曼彻斯特编码则被广泛用于宽带高速网中。
- 模拟数据编码为数字信号
主要包括三个步骤，即采样、量化和编码，常用于对音频信号进行编码的PCM 编码
首先介绍采样定理:在将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样率必须大于或等于最大频率f的2倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信 号的信息(只需记住结论)。另外，采样定理又称奈奎斯特定理.
- 数宇数据调制为模拟信号
1️⃣ 调幅(AM)或幅移键控(ASK)。
2️⃣ 调频(FM)或频移键控(FSK)
3️⃣ 调相(PM)或相移键控(PSK)
4️⃣ 正交幅度调制(QAM)
- 模拟数据调制为模拟信号
传输介质
双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
双绞线
同轴电缆
光纤
无线传输介质
无线电波、微波、红外线和激光、
物理层接又的特性
1️⃣ 机械特性。指明接又所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
2️⃣ 电气特性。指明在接又电缆的各条线上的电压范围、传输速率和距离限制等。
3️⃣ 功能特性。指明某条线 上出现的某一电平的电压的意义，以及每条线的功能。
4️⃣ 过程特性，也称规程特性。指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序
物理层设备
中继器
中继器的主要功能是整形、放大并转发信号，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰 减，使信号的波形和强度达到所需的要求，进而扩大网络传输的距离。
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，其原理是放大衰减的信 号，而中继器放大的是数字信号，其原理是整形再生衰减的信号。
集线器
集线器(Hub)实质上是一个多端又的中继器。
集线器不能分割冲突域，集线器的所有端又都属于同一个冲突域