计算机网络｜第二章 物理层｜湖科大课程｜从零开始的计网学习——物理层（计网入门就看这篇！）

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2.1物理层的基本概念

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：一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。在导引型传输媒体中，常见的有双绞线、同轴电缆、光纤；在非导引型传输媒体中，常见的是微波通信，例如使用2.4GHz和5.8GHz频段的WiFi。

计算机网络中的物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特0和比特1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。所谓“透明”，是指数据链路层看不见、也无须看见物理层究竟使用的是什么方法来传输比特0和比特1的。它只管享受物理层提供的比特流传输服务即可。

物理层为了解决在各种传输媒体上传输比特0和比特1的问题，主要任务分别是机械特性、电气特性、功能特性以及过程特性。

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。

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

2.2物理层下面的传输媒体

传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层。如果非要添加，只能将其放在物理层之下。传输媒体可分为两类，一类是导引型传输媒体，另一类是非导引型传输媒体。

在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体传播，常见的导引型传输媒体有同轴电缆、双绞线、光纤、电力线；而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。

1 同轴电缆

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

2 双绞线

双绞线是最古老又最常用的传输媒体。双绞线一般可分为两种：无屏蔽双绞线电缆和屏蔽双绞线电缆

屏蔽双绞线电缆比无屏蔽双绞线电缆增加了金属丝编织的屏蔽层，提高了抗电磁干扰的能力，但价格也会更高。

3 光纤

光纤的优点

1.通信容量大(25000~30000GHz的带宽)；

2.传输损耗小，远距离传输时更加经济；

3.抗雷电和电磁干扰性能好，这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。

4.无串音干扰，保密性好，不易被窃听。

5.体积小，重量轻 。

光纤的缺点

1.割接需要专用设备；

2.光电接口价格较贵。

光纤传输原理

折射角大于入射角，该过程反复进行，光也就沿着光纤传输下去。

无脉冲展宽～

4 电力线

4 无线电波

5 微波

频率范围为300MHz～300GHz(波长1m～1mm)，但主要使用2～40GHz的频率范围。微波在空间主要是直播传播。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。传统的微波通信一般有两种方式，一种是地面微波接力通信，另一种是卫星通信。微波在空间主要是直播传播而地球表面是一个曲面，因此其传播距离受到限制，一般只有50公里左右。但若采用100米高的天线塔，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。中继站把前一站发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。除同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始在空间部署，并构成了空间高速链路。

6 红外线

很多家用电器(例如：电视、空调等)都配套有红外遥控器。以前的笔记本电脑基本都带有红外接口，可以进行红外通信。

红外通信特点

属于点对点无线传输；

直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短；

传输速率低(4Mb/s~16Mb/s)。

现在笔记本电脑已经取消了红外接口，但很多智能手机还带有红外接口，以方便用户对电视、空调等家用电器进行红外遥控。

7 可见光

LiFi通信

2.3 传输方式

串行传输

串行传输是一个比特一个比特依次传输，因此在发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路即可。

并行传输

并行传输是指一次发送n个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有n条数据传输线路。

优点：

并行传输速率是串行传输速率n倍；

缺点：

成本高；

计算机内部的数据传输，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。

常见的数据总线宽度有8位、16位、32位和64位。 

同步传输

 数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。

接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，判别接收到的是比特0还是比特1。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，不可能做到完全相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累积误差，会导致接收端对比特信号的判别错位。因此，需要采取方法使收发双方的时钟保持同步。

实现收发双方时钟同步的方法主要有两种：

异步传输

采用异步传输时，以字节为独立的传输单位。字节之间的时间间隔不是固定的。接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。 

这里的异步是指：

单工通信/单向通信

 通信双方只有一个数据传输方向，例如：无线电广播采用的就是这种传输方式。

半双工通信/双向交替通信

通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。例如：对讲机采用的就是这种传输方式。

全双工通信/ 双向同时通信

通信双方可以同时发送和接收数据。例如：电话采用的就是这种传输方式。

单向通信只需一条信道， 而双向交替通信和双向同时通信都需要两条信道，每个方向各一条。

重点是理解同步和异步的内涵！！

2.4 编码与调制

信道

信号需要在信道中传输，信道可分为数字信道和模拟信道两种。

数字基带信号

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。

把数字基带信号的频率范围，搬移到较高的频段并转换为模拟信号，称为调制。调制后的信号为模拟信号，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。

模拟基带信号

对于模拟基带信号的处理，也有编码和调制两种方法。对模拟基带信号进行编码的典型应用是：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。对模拟信号进行调制的典型应用是将语音数据加载到模拟的载波信号中传输，例如，传统的电话；另一个是频分复用FDM技术，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码元。简单来说，码元就是构成信号的一段波形。

这一段波形是构成该信号的一个基本波形，我们可称其为码元。它表示比特0，当然，也可以表示比特1；一种信号由两种码元构成。

传输媒体和信道不能直接划等号，对于单工传输来说，传输媒体中只包含一个信道，要么是发送信道，要么是接收信道；而对于半双工和全双工传输，传输媒体中要包含两个信道，一个是发送信道，另一个是接收信道。如果使用信道复用技术，一条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。

常用编码 

不归零编码

正电平表示比特1，负电平表示比特0；所谓不归零，就是指在整个码元时间内，电平不会出现零电平。

如何判断码元个数？ 

需要额外一根传输线来传输时钟信号，使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，宁愿利用这根数据线传输数据信号，而不是传输时钟信号！

由于不归零编码存在同步问题(缺点)。计算机网络中的数据传输不采用这类编码。

归零编码

很明显，每个码元传输结束后信号都要“归零”。所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。

但是，归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了。

特点

优点：自同步；

缺点：编码效率低。

曼彻斯特编码

在每个码元的中间时刻，信号都会发生跳变。跳变的含义可以自己定义，例如：负跳变表示比特1(黄色向下箭头)，正跳变表示比特0(白色向上箭头)。

码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。

传统以太网使用的就是曼彻斯特编码。

差分曼彻斯特编码

在每个码元时间的中间时刻，信号都会发生跳变。但是此跳变只代表时钟信号。

具体的数据由码元开始处至码元结束出，电平是否变化来表示。

例如在码元结束和码元开始的时候电平做对比，有变化代表0/1，无变化代表1/0。(含义自己定义)

特点

1.跳变仅表示时钟；

2.码元开始处电平是否发生变化表示数据。

例题

解析：

1.10BaseT以太网使用的是曼彻斯特编码；

2.每个码元在中间时刻发生跳变，按此特点找出每个码元；

3.正跳变表示1还是0，负跳变表示0还是1，可自行假设。

正跳变表示比特1，负跳变表示比特0，原假设错误！故正跳变表示比特0，负跳变表示比特1。

基本调制方法

等待传输的数字基带信号也就是来自信源的原始数字信号。我们要使用模拟信道来传输。因此需要将数字基带信号通过调制方法，调制成可以在模拟信道中传输的模拟信号。

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这是调幅所产生的模拟信号，无载波输出表示比特0，有载波输出表示比特1。

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这是调频所产生的模拟信号，频率f1的波形表示比特0，频率f2的波形表示比特1。

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这是调相所产生的模拟信号，初相位0度表示比特0，初相位180度表示比特1。

使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。如何使1个码元包含更多的比特呢？

混合调制举例——正交振幅调制QAM

QAM-16

12种相位；

每种相位有1或2种振幅可选；

QAM-16可调制16种码元(波形)，每种码元可以对应表示4个比特；

每个码元可以包含几个比特？

每个码元与4个比特的对应关系可以随便定义吗？

每个码元与4个比特的对应关系应该采用格雷码，也就是任意两个相邻码元只有1个比特不同。

物理层的主要任务就是解决比特0和比特1在线路上传输的问题。

2.5 信道的极限容量

失真因素：

码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等。

奈氏准则

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。

调幅、调频、调相都属于二元调制，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。

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。这是因为奈氏准则是在假定的理想条件下推导出来的，它不考虑其他因素，例如：传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等。

香农公式

综合来看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。

自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的极限速率。

例题

自由空间：3*10^8 m/s

铜   线：2.3*10^8 m/s

光   纤：2.0*10^8 m/s

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