# 第二章 - 物理层

物理层考虑的是如何才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

用于物理层的协议又称 规程 。

# Δ 物理层特性

物理层的主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性：

• 机械特性 ，指明接口所用接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置等等
• 电气特性 ，指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
• 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
• 过程特性 ，指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

一个数据通信系统可划分为三大部分：

1. 源系统
   • 源点
   • 发送器
2. 传输系统
3. 目的系统
   • 接收器
   • 终点

通信的目的是传送消息，而数据是运送消息的实体。

信号分两大类：

• 模拟信号(连续信号)
• 数字信号(离散信号)

信道一般用来表示向某一个方向传送消息的媒体。

通信又分三种方式：

• 单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
• 半双工通信，通信双方都可以发送消息，但不能同时发送或接收
• 全双工通信，通信双发可以同时发送和接收消息

# Δ 三种基本的调制方法

基带信号 ；来自信源的信号常称为基带信号，基带信号往往包含较多的低频成分，甚至有支流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，因此必须对基带信号进行调制。

调制分两大类：

• 基带调制，又称编码，仅仅对基带信号的波形进行变换，使之与信道特性相符，变换后的信号任然是基带信号
• 带通调制，使用载波调制，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。变换后的信号称为带通信号

三种基本的带通调制方法：

• 调幅 AM ，即载波的振幅随基带数字信号而变化
• 调频 FM ，即载波的频率随基带数字信号而变化
• 调相 PM ，即载波的初始相位随基带数字信号而变化

为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，例如正交振幅调制 QAM 。

# Δ 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码

常用编码方式有四种，曼彻斯特编码具有自同步能力：

• 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 ，位周期中心的上跳变代表0，下跳变代表1（反过来也可以）
• 差分曼彻斯特编码 ，每一位的中心处始终有跳变，位开始边界有跳变代表0，位开始边界没有跳变代表1

# Δ 奈奎斯特定理和香农定理

限制码元在信道上传输速率的因素有以下两个：

• 信道能够通过的频率范围 ，具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端就无法辨别码元间的界限（码间串扰）
• 信噪比 ，噪声是随机产生的，它会影响接收端对码元的判决。但如果信号很强，那么噪声的影响就相对较小。因此信噪比就很重要，信噪比(dB) = $10 \log_{10}{\frac{S}{N}}$

奈氏准则：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决成为不可能。

香农公式：信道的极限信息传输速率 $C = W \log_2{(1+\frac{S}{N})}$

# Δ 光纤的优点及其两种模式

优点：

• 光纤的带宽非常大，通信容量非常大
• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
• 抗雷电和电磁干扰性能好
• 无串音干扰，保密性好，也不宜被窃听或截取数据
• 体积小，重量轻

模式：

• 多模光纤，多条不同入射角的光线在一条光纤中传输，只适合于近距离传输
• 单模光纤，光纤的直径减小到只有一个光的波长，则光纤就像一根波导那样，使光线一直向前传播而不会产生多次反射

# Δ 两种数字传输系统（T1，E1）

• T1：北美和日本的标准，1.544 Mb/s
• E1：欧洲的标准，2.048 Mb/s

# Δ PCM(脉冲编码调制)的缺点

• 速率标准不统一
• 不是同步传输