第2章 物理层-01
2.1 物理层的基本概念
物理层考虑的是怎样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。
物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性，即：
（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。
（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。
2.2 数据通信的基础知识
图2.1 数据通信系统的模型
2.2.1 数据通信模型
（1）局域 通信模型
使用集线器或交换机组建的局域 ，计算机A和计算机B通信，计算机A将要传输的信息变成数字信 通过集线器或交换机发送给计算机B，这个过程不需要对数字信 进行转换。
图2.2 局域 通信模型
（2）广域 通信模型
为了对计算机传输的数字信 进行长距离传输，需要把要传输的数字信 转换成模拟信 或光信 。
图2.3 广域 通信模型
2.2.2 信道的极限容量
信道（Channel）是信息传输的通道，即信息传输时所经过的一条通路，信道的一端是发送端，一端是接收端。一条传输介质上可以有多条信道（多路复用）。
图2.4 物理线路多信道
信道可以分为用来传输数字信 的数字信道和用来传输模拟信 的模拟信道。
数字信 经过数-模转换后可以在模拟信道上传输，模拟信 经过模-数转换后可以在数字信道上传输。
任何实际的信道都不是理想的，在传输信 时会产生各种失真以及带来多种干扰。数字通信的优点就是在接收端只要能够从失真的波形识别出原来的信 ，那么这种失真对通信质量就没有影响。
图2.5 有失真但可识别
图2.6 失真太大无法识别
码元传输的速率越高、信 传输的距离越远、噪声干扰越大、传输媒体质量越差，在信道的接收端，波形的失真就越严重。
影响信道上数字信息传输速率的因素有两个：
n 码元的传输速度（受信道能够通过的频率范围影响）
n 每个码元承载的比特信息量（受信道的信噪比影响）
（1）信道能够通过的频率范围
在信道上传输的数字信 其实是使用多个频率的模拟信 进行多次谐波而成的方波。
图2.7 数字信 由模拟信 谐波而成
具体的信道所能通过的模拟信 的频率范围总是有限的。能够通过的最高频率减去最低频率，就是该信道的带宽，单位为赫兹（Hz）。
信道带宽W=最高频率-最低频率
如图2.8所示的电话线，假设其允许频率范围从300-3300Hz的模拟信 能够通过，则该电话线的带宽为3300-300=3000Hz。
图2.8 信道带宽
数字信 经过信道，数字信 中高频分量（高频模拟信 ）有可能不能通过信道或者衰减，接收端接收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，码元之间所占用的时间界限也不再明显，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端收到的信 波形就失去了码元之间清晰的界限，这种现象叫做“码间串扰”。
严重的码间串扰将使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。
图2.9 数字信 高频带宽不能通过
码元速率（波特率Baud,B）：即单位时间内载波参数（相位、振幅、频率等）变化的次数，单位为波特，常用符 Baud表示，简写成B。
波特率指的是信 每秒钟电平变化的次数，单位是Hz：比如一个信 在一秒钟内电平发生了365次变化，那么这个信 的波特率就是365Hz。
比特率：比特率是信 每秒钟传输的数据的位数，我们知道在计算机中，数据都是用0，1表示的，所以比特率也就是每秒钟传输0和1的个数，单位是bps（bit per second）。
带宽：一般信道都有一个最高的信 频率（注意不是波特率，频率是指每秒钟的周期数，而每个周期都会有几次电平变化。）和最低的信 频率，只有在这两个频率之间的信 才能通过这个信道，这两个频率的差值就叫做这个信道的带宽，单位是Hz。
信道的容量：我们知道数据在信道中传输会有他们的速度—比特率，这里面最高的比特率就叫做这个信道的容量，单位是bps。
奈氏准则——在理想低通(无噪声，带宽受限)条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2 W。
图2.10 以相对较慢的发送速度发送码元，接收端容易识别
图2.11 以相对较快的发送速度发送码元，接收端不容易识别
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud
W：理想低通信道(无噪声，带宽受限)的带宽，单位为Hz
Baud：波特，码元传输速率的单位
a、在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰问题（是指在接收端收到的信 的波形失去了码元之间的清晰界限），使接收端对码元的识别成为不可能。
b、如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信 高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
c、奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制，也就是说没有对一个码元可以对应多少个二进制位作出限制。奈氏准则只是限制码元传输速率，香农定理才真的限制信息传输速率。
d、由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就是需要采用多元制的调制方法。
奈奎斯特定理：理想低通信道(无噪声，带宽受限)下的极限数据传输率
R=2×W×log2N= B×log2N
R：理想低通信道(无噪声，带宽受限) 下的极限数据传输率
W：理想低通信道(无噪声，带宽受限)的带宽，单位为Hz
N：是几种码元，即码元的离散电平数目
B：波特，码元传输速率的单位
例题1：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？
解答：相位就是一个波形，一横或一竖，每个相位（波形）有四种调制技术（变化），则有4*4=16种不同的组合，即需要16个波形来表示。2的n次方=16，n=4，则1个码元（波形）可携带4bit信息量。
根据奈氏准则：最高信息传输速率= 2×W×log2N
=2×3kHz×log216
=6000码元/s×4bit/码元
=24000b/s
例题2：对于某带宽为4000Hz的低通信道，采用16种不同的物理状态来表示数据，按照奈奎斯特定理，信道的最大传输速率是( )
解答：根据奈奎斯特定理理想低通信道下的极限数据传输率=2×W×log2N (单位：b/s)
16种不同的物理状态，即N=16。所以最大传输速率=2×4000×log216=32000b/s=32kb/s
例题3：采用8种相位，每种相位各有两种幅度的QAM调制方法，在1200Baud的信 传输速率下能达到的数据传输速率是( )
解答：8种相位（波形）两种调制方法（变化），总共需要8*2=16种波形来表示，2的n次方=16，n=4，则1个码元（波形）可携带4bit信息量。
根据奈氏准则：最高信息传输速率= 2×W×log2N
=B×log2 N
=1200×4bit/码元
=4800b/s
例题3：一个信道每1/8s采样一次，传输信 共有16种变化状态，最大数据传输率是( )
–什么是采样频率？–
采样频率，也称为采样速度或者采样率，定义了每秒从连续信 中提取并组成离散信 的采样个数，它用赫兹（Hz）来表示。采样频率的倒数是采样周期或者叫作采样时间，它是采样之间的时间间隔。通俗的讲采样频率是指计算机每秒钟采集多少个信 样本。
解答：每1/8s采样一次，即采样频率是8Hz，16种变化状态的信 可携带4bit数据，因此最大数据传输率为8*4=32b/s
香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。
香农公式表明：
信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。
实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。
2.2.3 模拟信 和数字信
（1）模拟信 或连续信 ：代表信息的参数的取值是连续的。
图2.13 模拟信
图2.14 模拟信 失真很难纠正
（2）数字信 或离散信 ：代表信息的参数的取值是离散的。(取值有跳变)
码元就是构成一段信 的一个基本波形，一个基本波形可以表示比特0或者1，上图由两种码元表示。
例如计算机传输二进制数据111011000110010101001100，就可以使用数字信 进行表示。
一个波形（码元）承载一个二进制数，码元共需要有2的1次方=2个波形。
图2.15 二进制码元
一个波形（码元）承载两位二进制数，码元共需要有2的2次方=4个波形。
两位二进制数的取值有00、01、10、11四个取值，对应的十进制数分别是0、1、2、3，这就要求码元有4个波形。
图2.16 一码元携带两比特信息
图2.17 一码元携带三比特信息
同理，一个波形（码元）承载四位二进制数，码元共需要有2的4次方=16个波形。
要想让一个码元承载更多信息就需要更多的波形。
数字信 在传输过程中由于信道本身的特性及噪声干扰会使得数字信 波形产生失真和信 衰减。为了消除这种波形失真和衰减，每隔一定的距离需添加“再生中继器”，经过“再生中继器”的波形恢复到发送信 的波形。
图2.18 数字信 波形恢复
模拟信 没有办法消除噪声干扰造成的波形失真，所以现在的电视信 逐渐由数字信 替换掉以前的模拟信 。
（未完待续）
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