CH 02 物理层 —— 计算机网络

⭐️声明部分转载自CSDN博主「夏洛克卷」—— 计算机网络基础之二：物理层

1.1 物理层的基本概念

定义：OSI模型的最底层，
功能：制定系统与传输媒体的接口规则，实现两个物理设备之间的比特流传输。
注意：
1. 物理层并不是传输媒体，它与传输媒体有关，一层协议，规范。
2. 物理层规定传输数据所需要的物理链路创建、维持、拆除，而提供具有机械的，电子的，功能的和规范的特性，主要关心如何传输信号。
3. 物理层向上屏蔽了底层实现的复杂性。
4. 物理层协议主要通过接口特性来描述：机械特性、电气特性、功能特性和规程特性。
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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    指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3.功能特性    指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
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。
```

1.2 数据通信系统的模型

如图所示，一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)。

数据通信系统模型

通信的目的是传送消息(message)。如话音、文字、图像、视频等都是消息。
数据(data)是运送消息的实体。根据RFC 4949给出的定义，数据是使用特定方式表示的信息，通常是有意义的符号序列。这种信息的表示可用计算机或其他机器(或人)处理或产生。
信号(signal)则是数据的电气或电磁的表现。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。例如在图中，用户家中的调制解调器到电话端局之间的用户线上传送的就是模拟信号。
数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。例如在图中，用户家中的计算机到调制解调器之间，或在电话网中继线上传送的就是数字信号。在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

1.2.1 三种通信方式

在许多情况下，我们要使用信道(channel)这一名词。信道和电路并不等同。信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

单向通信（单工通信），即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
双向交替通信（半双工通信），即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后可以再反过来。
双向同时通信（全双工通信），即通信的双方可以同时发送和接收信息。单向通信只需要一条信道，而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)。显然，双向同时通信的传输效率最高。

1.2.2 基带信号

来自信源的信号常称为基带信号(即基本频带信号)。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。直接传输基带信号叫做基带传输。许多信道并不能传输基带信号中的低频分量或直流分量。近距离时衰减不大，可用，但是远距离就...为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。调制可分为两大类：

基带调制：仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，习惯上称为编码(coding)。
带通调制：使用载波(carrier)进行调制，把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，这样就能够更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

基带调制编码举例

数字信号常用编码方式，如上图：

不归零制：正电平代表1，负电平代表0；
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0；
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1但也可反过来定义；
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

带通调制

常用带通调制，如上图：

\[f(t)=AM\ sin(2\pi\ FM\ t+PM) \]

调幅(AM)：即载波的振幅随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出；
调频(FM)：即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率 f1 或 f2 ;
调相(PM)：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

通过多元组合可使调制更高效。

1.2.3 数据率与波特率

带宽W

带宽，又叫频宽，是数据的传输能力，指单位时间内能够传输的比特数。高带宽意味着高能力。

数字设备中带宽用bps（b/s）表示，即每秒最高可以传输的位数。
模拟设备中带宽用Hz表示，即每秒传送的信号周期数。通常描述带宽时省略单位，如10M实质是10M b/s。
带宽计算公式为：带宽=时钟频率*总线位数/8。电子学上的带宽则指电路可以保持稳定工作的频率范围。

数据传输速率Rb

数据传输速率（比特率）：指每秒钟实际传输的比特数，是信息传输速率（传信率）的度量。

单位为“比特每秒（bps）”。
其计算公式为S=1/T。T为传输1比特数据所花的时间。

波特率RB

波特率，又称调制速率、传符号率（符号又称单位码元）、码元率：指单位时间内载波参数变化的次数，可以以波形每秒的振荡数来衡量，是信号传输速率的度量。

单位为“波特每秒（Bd/s）”，不同的调制方法可以在一个码元上负载多个比特信息，所以它与比特率是不同的概念。

码元率和数据率的关系

码元率和数据率的关系式为： $$Rb = RB*log_2 N$$。其中，N为可调制状态数。对于二进制的信号，码元速率和信息速率在数值上是相等的。