物理层

概述

往往只考一个选择题

物理层通过一套定义、规范，从离散信号、连续信号中解析数据(0/1)

物理层的功能：屏蔽不同传输媒体和通信手段的差异，透明地传输比特流

物理层特性

• 机械特性：外观特征
• 电气特性：每条线路上的电压范围
• 功能特性：线是干啥的
• 过程特性（时间特性）：可能事件的出现顺序

通信模型：PC - 调制解调器(字-模拟信号) - 公网 - 调制解调器(模拟信号-字) - PC

传输媒体

传输媒体，也叫传输介质或传输媒介

导引型传输媒体

有线的，信号沿着固体传播

• 双绞线：电信号，最慢，最常见，两根绞在一起的目的是为了减少串扰
  • 屏蔽双绞线
  • 无屏蔽双绞线
  • 不同绞合度的双绞线
• 同轴电缆：电信号，带宽取决于电缆的质量
• 光纤：光传输（全反射），最快
  • 多摸光纤
  • 单模光纤：类似于直线传播

非导引型传输媒体

无线的，指自由空间，利用短波通信

• 微波，在空间中直线传播，所以需要塔台中转
  • 地面微波接力通信
  • 卫星通信
• 宽带接入技术

100 BaseT，100基带的双绞线

100 BaseF ，100基带的光纤

频谱

介质通信模式

• 单向通信（单工通信）：江河
• 双向交替通信（半双工通信）：水管
• 双向同时通信（全双工通信）：同时发送和接受

调制

重点！

在信号（载体）中识别数据

调制方式

• 基带调制：其他信号 ——> 数字信号（离散信号），编码
• 带通调制：其他信号 ——> 模拟信号（连续信号），调制

编码

常见的编码方式：目的是区分0/1

• 归零（RZ）和不归零制（NRZ），差分不归零制（NRZI）
  • 高电位1,低电位为0
  • 不归零制从高电位垂直下降到低点位
  • 归零制在转换时会在0电位停留一段时间
  • 差分不归零会比较相邻二者的信号，一样则为0,不同则为1
• 曼彻斯特
  • 每个时钟信号都是一高一低组成
  • 在同一时钟信号中，从低到高表示0，从高到低表示1
• 差分曼彻斯特
  • 差分指相邻两个的关系，看前一段的后半部分，后一段的前半部分，如果不同即为0，一样则为1

常考题型：给一段数去对图，给一个图去对数

区别

• 曼彻斯特编码的信号变化频率高于归零编码
• 不归零制无法区分时钟信号的边界，没有自同步能力；而曼彻斯特每个时钟信号都是一高一低，能够自区分

调制

其他信号 ——> 模拟信号，目的仍是区分0/1

基本的二元制调制方法

• 调幅（AM）：调制载波振幅，0的时候幅度小，1的时候幅度大
• 调频（FM）：调制载波频率，0的时候频率低，1的时候频率高
• 调相（PM）：调制载波初始相位，0和1的初始相位不同

正交振幅调制（QAM）：分四个象限，接受不同范围内的点（载体），不同象限对应不同的二进制编码，如第一象限表示 0000-0100

每个信号所携带的比特数为 log(M*N)，M是相位，N是振幅

信道的极限容量

重点，和调制64开

码元和比特率

码元：信号的不同形状

波特率：码元 / s

比特率：bit / s

• 若一个码元 n bit，则比特率为 n x 波特率
• 码元的比特量 n = logV，V 为码元数。对 V 种码元进行二进制编码。若 V = 2，则编码为0,1，一个码元的比特量为1；若 V = 4，则编码为 00,01,10,11，码元的比特量为2，以此类推

数据的传输过程中

• 存在失真和各种干扰
• 波特率越高，距离越远，干扰的影响越大，波形（码元）的失真就越严重

奈奎斯特定理

奈氏准则

码元的传输速率上限值 B = 2W

• W 为带宽大小

若有 V 种码元（每个码元数据量为 logV bit），则极限数据传输速率 C = 2W log V bit/s

采样定理：采样频率（在单位波段中采样个数）>= 两倍原始频率，就可以把所有频率采出来

信噪比：真实环境中的干扰，信号的平均功率和噪声的平均功率之比

$$信噪比(dB) = 10log_{10}(S/N)$$

当 S/N = 10 时，信噪比为 10 dB，当 S/N 为 1000 时，信噪比为 30 dB

香农定理

在有噪声的环境中，极限数据传输率 C = W log (1+S/N)

• 证明只要带宽一定，平均功率和噪声平均功率一定，速率就固定了

注意：以上提供了两种计算最大数据率的公式（奈氏准则和香农定理），在考试中应以更小的一个作为答案

五个公式	描述
C = B x N = B x log V	C 数据传输比特率，N 为每个码元的数据量，B 为波特率(Baud)，V 为码元种数
B = 2W	B 码元传输率的上限，W 为带宽
C = 2Wlog V	C 数据传输比特率的上限，V 为码元种数
dB = 10 log10 (S/N)	信噪比 dB，S 为信号平均功率，N 为噪声平均功率
C = W log(1+S/N)	C 数据传输比特率上限

例题知识点：

• 影响信道最大传输速率的因素：B+V 或 W+dB
• 波形数量 = 相位数 x 振幅数

物理层设备

中继器

碰撞域，也叫冲突域，不同站点发送的帧在传输线路上有所碰撞的网络区域

为什么要有中继器？

• 避免长距离传输造成的失真

中继器的作用：将衰减得不完整的信号经过整理重新产生出完整的信号再继续传送，实现一个得以扩展的网络

• 工作区域：物理层
• 本质作用：信号再生；简单地转发比特

中继器的转发面向所有连接中继器的站点，这种转发模式叫做广播，在拓扑上属于星型网络；又因为数据在所有连接中继器的机器上共享（没有中心之分），所以中继器组成的局域网在逻辑上其实是一种总线型网络

在总线型网络中为了避免冲突，各站点必须控制传输媒体，时刻至多允许一个站点发送数据；自然的，根据定义，处于中继器网络中的不同站点属于同一个碰撞域

• 中继器以太网是一个独立的碰撞域，同时只能允许一个站点发送数据（也属于同一个广播域）
• 中继器工作在物理层，他的接口仅仅简单的发送比特，不能连接不同速率、规格的网段
• 中继器仅作用于信号的电气部分
• 中继器以太网站点共享带宽，不能同时发送数据，即 1s 内，所有站点共发带宽等值的比特，于是各站点平均带宽为：带宽 / 站点数

发大器和中继器的区别：

• 发大器放大的模拟信号，同时增大了噪声
• 中继器作用的是数字信号，并且是再生，重点在还原，不同于放大

集线器

中继器是集线器的前身，实际上就是一种多端口的中继器，扩大了碰撞域