物理层

基本概念

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准

物理层接口特性

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、阴线数目、引脚数量和排列情况。（看得见的物理特性）
2. 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围，阻抗匹配，传输速率和距离限制等。（看不见的物理特性）
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。（意义、用途）
4. 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

三种通信方式

1. 单工通信
   只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。
   eg：广播
2. 半双工通信/双向交替通信
   通信双方都可以发送或接受信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
   eg：对讲机
3. 全双工通信/双向同时通信
   通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道。
   eg：打电话

串行传输和并行传输

串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。
速度慢、费用低、适合远距离（因为只需要一条信道，远距离成本低）

并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。
速度快、费用高、适合近距离



eg：打印机

同步传输和异步传输

同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。(发送方和接收方的时钟是统一的）

异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1 个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一-个字符起始位和一一个字符终止位。

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形( 数字脉冲)，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时(M大于2)，此时码元为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。
eg：

2进制码元 → 码元的离散状态有2个 → 对应2种高低不同的信号波形 → 可以用0,1分别代表一种波形 → 1码元携带1bit信息量

4进制码元 → 码元的离散状态有4个 → 对应4种高低不同的信号波形 → 可以用00,01,10,11分别代表一种波形 → 1码元携带2bit信息量

码元传输速率：数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量（1s传输多少个码元），单位是波特（Baud）。码元速率与进制数无关，智育码元长度T有关。

信息传输速率：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（1s传输多少个比特），单位是比特/秒（b/s）。

例题1：
某一数字通信系统传输的是四进制码元,4s传输了 8000个码元,求系统的码元传输速率是多 少?信息传输速率是多少?若另一通信系统传输的是十六进制码元,6s传输了 7200个码元，求他的码元传输速率是多少?信息传输速率是多少?并指出哪个系统传输速率快？
答案：

例题2：
已知八进制数字信号的传输速率为1600B。试问变换成二进制数字信号时的传输速率是多少？

答：

$$ 1600 \times \log_2^8=4800b/s $$

例题3：
已知二进制数字信号的传输速率为2400b/so试问变换成四进制数字信号时，传输速率为多少波特?
答：

$$ 2400 \div \log_2^4 = 1200B $$

失真

码间串扰：接收端收到的信息波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则

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$2W$Baud, $W$是信道带宽，单位是Hz。
极限数据率：

$$ 2W\log_2^V (b/s) $$

其中V是码元的种类数

推论：

1. 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端码元的完全正确识别成为不可能。
2. 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
3. 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。
4. 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，这就需要采用多元制的调制方法。

例题：
在无噪声的情况下，若某通信链路的 带宽为$3k$Hz ,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？

答：
信号共有$4 \times 4=16$种变化，即有16种码元。
所以最大传输数据率为：

$$ 2 \times 3k \times 4 = 24kb/s $$

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位，即：

$$ 信噪比（dB）=10\log_10(S/N) $$

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

$$ 信道的极限数据传输速率=Wlog2(l+S/N) (b/s) $$

S/N指信噪比

推论：

1. 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。
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。

例题：二进制信号在信噪比为$127:1$的$4k$Hz信道上传输，最大的数据速率可达到多少?
解：
对于奈氏定理：

$$ 2 \times 4000 \ \log_2^2 = 8000 b/s $$

对于香农定理：

$$ 4000 \times \log_2^{1+127}=28000b/s $$

从两个结果中选择偏小的那个结果：即$8000b/s$。

编码

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

信道上传送的信号

1. 基带信号：放到数字信道上传输，
2. 宽带信号：放到模拟信道上传输。

数据转成数字信号：编码
数据转成模拟信号：调制

数字数据编码为数字信号

1. 非归零编码
   高1低0
   优点：编码容易实现
   缺点：没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。（比如连续一串1，信号是一条很长的直线，接收端很难确定信号长度）
2. 归零编码
   信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码。（每一周期后半段都是0）
3. 反向不归零编码
   
   
   
   信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
   缺点：当数据全1的时候信号不翻转，依然无法判断信号长度

4.曼彻斯特编码★
将一个码元分成2个相等的间隔，前低后高表示1，前高后低表示0。（也可能采用相反的规定）
优点：每个码元中间出现电平跳变，位中间的跳变既做时钟信号又作数据信号，克服了前面3种编码的优点，实现自同步
缺点：一个码元都被调成2个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

5. 差分曼彻斯特编码
   常用于局域网传输
   同1异0：
6. 每个码元中间都有一次电平跳转。
7. 码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半段电平相同。
8. 码元为0，则前半个码元的电平与上一个码元的后半段电平相反。
   优点：可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。
9. 4B/5B编码
   比特流中插入额外的比特来打破连续的0和1，也就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。
   4比特，共有16种组合，每种组合都有一种5比特编码与之对应。剩余的16种5比特编码作为控制码（帧的开始结束、线路状态信息）或保留。

调制

调制：在发送端将数字信号转换为模拟信号
解调：在接收端将模拟信号还原为数字信号

数字数据调制为模拟信号

常见的调制方法（不重要）

例：某通信链路的波特率是1200Baud,采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少?
解：
码元种类共有4个相位×4种振幅=16种
信息传输速率为：

$$ 1200 \times \log_2^{16} = 4800 b/s $$

模拟数据编码为数字信号

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：

$$ f_{采样频率}≥2f_{信号最高频率} $$

2. 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。

3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。