本章重点
- 物理层的任务（什么是物理层）
- 通信模型
- 信道的极限容量
物理层的任务
简单来说就是如何在两台连接的计算机间传递数据比特流。
数据通信系统模型
物理层的任务需求涉及到三个概念：信源、信道和信宿。
- 信源为发送数据端
- 信道为数据传输通过的通道
- 信宿为接收方。
信号和信道的分类
信号分为模拟信号和数字信号。信道分为模拟信道和数字信道。
- 模拟信号：连续信号，如声音
- 数字信号：离散信号，如计算机中的0和1信号
- 模拟信道：能传输模拟信号的信道
- 数字信道：能传输数字信号的信道
思考
- 模拟信号能直接在数字信道上传输吗？
不能，模拟信号需要离散化才能在数字信道上传输，使用PCM编码器 - 数字信号能直接在模拟信道上传输吗？
不能，数字信号需要使用调制解调器变成模拟信号，才能在模拟信道上传输。 - 模拟信号能直接在模拟信道上传输吗？
不能，一般情况下为减小模拟信号在模拟信道上的损失，我们使用高频载波搭载低频模拟信号，所以我们需要使用放大器和调制器。 - 数字信号能直接在数字信道上传输吗？
不能，原因有两点，如下- 在计算机中数字信号是并行信号，而在信道中数字信号是串行信号，所以我们需要使用串并转换。
- 而且在计算机中因为有时钟信号，所以我们可以通过与时钟信号对比来判断连续01的个数，但是在信道上没有时钟信号，我们就无法判断连续的高电平代表了几个1和连续的低电平代表了几个0。所以我们需要采用一些特殊的编码方式，使之能够分辨出信道上连续的高电平代表了几个1，连续的低电平代表了几个0。
常用编码方式：归零制、曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码- 曼彻斯特编码：为周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1，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。
信道的极限容量
奈氏准则：理想低通信道
理想低通信道的最高码元传输速率=2*带宽
奈氏准则的另一种表达方法是:每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元
- 理想低通信道：理想的能让部分低频率信号通过的信道（只要不要超过这个低频率信号范围都可无失真的通过）。
- 码元：一个固定时长的数字信号波形
如：让1个码元携带2bit的信息量
香农公式：带宽受限、有干扰的信道
C = W log2(1+S/N) b/s
- W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）
- 信噪比S/N是信号功率和噪声功率之比，转换成利用分贝（dB）表示，公式如下
- C是信道的极限信息传输速率
注意
- 单位问题
在数字信号通信线路里，“带宽”表示数字信道所能传送的“最高数据率”，数据率也称为比特率，。例如我们会常说这网络上的带宽是10Mb/s（注意是小b，即比特，或称为“位”，1Mb=10^3kb=10^6b,在通信领域里小写的k表示10^3这里特别要注意下和计算机里的MB、KB、B不一样，计算机里的1MB＝2^10KB＝2^20B，这里自己要注意区分理解） - 两个公式的适用范围不同
也就是说两个C并不冲突
练习
- 假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（b/s）?
- 假定要用3KHz带宽的电话信道传送64kb/s的数据（无差错传输），试问这个信道应具有多高的信噪比（分别用比值和分贝来表示？这个结果说明什么）
传输媒体
双绞线
同轴电缆
信道复用技术
为什么要有信道复用技术
共享信道由于带宽较大因而费用也较高，再加上复用器和分用器，但是如果复用的信道数量较大，那么在经济上还是合算的。
技术
频分复用FDM
所有用户在同样的时间占用不同的频率带宽。例如：传统的电话通信每一个标准话路的带宽是4kHz，如果有1000个用户进行频分复用，则复用后的带宽就是4MHz，有的用户使用0~4kHz，有的用户使用4kHz~8kHz……
时分复用TDM
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。注意：每一个时分复用帧的长度不变，始终是125微妙，如果有1000个用户，则每一个用户分配到的时隙宽度就是125毫秒的千分之一。如果有100个用户，则每一个用户分配到的时隙宽度就是125毫秒的百分之一。
存在的问题：如果当前用户没有数据，那么这段时间虽然不发送数据但是其他用户也不能使用，会造成信道利用率不高。
波分复用WDM
码分复用(码分多址)CDMA
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