本文将介绍计算机网络中的物理层。

一、物理层的作用

将数据链路层交下来的数据以比特流的形式传输。

物理层需要考虑的是如何在各种各样的传输媒体上传输数据比特流，尽可能地为上层屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异。

物理层的主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准。

二、数据通信基础知识

1. 典型的数据通信系统模型

• 源系统
  • 源点：产生要传输的数据的设备
  • 发送器：对源点产生的数字比特流进行编码以便能够在传输系统中传输
• 传输系统：负责传输信号，既可以是简单的传输线，也可以是复杂的网络系统
• 目的系统
  • 接收器：接收传输系统发送过来的信号，并将其转换为可被终点处理的信息
  • 终点：从接收器获取传送过来的数据比特流

2. 三种通信方式

• 单向通信：又称单工通信；仅有一方可以发送信息；仅需要一条信道
• 双向交替通信：又称半双工通信；双方均可以发送信息，但双方不能同时发送；需要两条信道
• 双向同时通信：又称全双工通信；双方可以同时发送信息；需要两条信道

3. 串行传输和并行传输

• 串行传输：使用一个信道；将数据一位一位依次传输；速度慢；费用低
• 并行传输：使用多个并行的信道；将数据分组后同时传输；速度快；费用高

三、信号失真

1. 信号失真问题

信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，信号严重失真后接收端将无法识别。

2. 码间串扰

• 码间串扰是一种失真产生的原因

• 当码元传输速率过快时，信号波形失去了码元间的清晰界限，从而导致无法识别

  • 码元：一个固定时长的信号波形
  • 码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数

• 奈氏准则规定了在理想低通（无噪音，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限的码元传输速率

3. 信噪比

• 噪声是一种失真产生的原因
• 噪声是一种失真产生的原因，它对信号的影响程度与它和信号的功率比值相关，因此信噪比十分重要
• 香农定理规定了数据传输速率上限，该值与带宽和信噪比有关

四、编码与调制

1. 基带信号

基带信号，又称基本频带信号，它是来自信源的信号。

基带信号中往往包含较多的低频分量、直流分量，无法在许多信道上传输，因此我们需要对基带信号进行 调制 。

2. 调制

调制可以分为两大类，

• 编码：
  • 又称为基带调制
  • 仅仅对基带信号的波形进行变化，使得它能够和信道特性相适应
  • 变换后的信号仍然是基带信号
• 调制：
  • 又称为带通调制
  • 使用载波进行调制，将基带信号的频率范围搬移到更高的频段
  • 变换后的信号是模拟信号

五、传输媒体

• 传输媒体又称传输介质、传输媒介
• 传输媒体是数据传输系统中位于发送设备和接收设备之间的物理通路
• 传输媒体并不是物理层，而是物理层的下层

参考

• 《计算机网络》