計算機網絡之物理層——基于《計算機網絡》謝希仁第八版

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????????計算機網絡體系結構的物理層就是要解決在各種傳輸媒體上傳輸比特零和一的問題，進而給數據鏈路層提供透明傳輸比特流。所謂透明，是指數據鏈路層看不見也無需看見物理層究竟用的是什么方法來傳輸比特零和一，他只管享受物理層提供的比特流傳輸服務。

? ? ? ?此外物理層是計算機網絡體系結構中最底層的層次，負責在物理媒介上傳輸原始的比特流。它的主要任務是將數據鏈路層傳遞下來的數據封裝成適合在物理媒介上傳輸的信號，并確保這些信號能夠被接收端正確地解碼。

一、物理層的基本概念及主要任務

????????物理層主要關注數據的傳輸方式和傳輸介質的特性。它定義了數據傳輸的機械特性、電氣特性、功能特性和過程特性。具體而言，物理層需要解決以下問題：

????????機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等；

????????電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍（傳輸速度、距離限制）；

????????功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義（規定接口的信號線作用）；

????????過程特性：指明對于不同功能的各種可能事件的出現順序（時序關系）。

????????通過定義這些特性，物理層為數據鏈路層提供了透明的比特流傳輸服務，使得上層協議可以在不同的物理媒介上進行通信，而無需關心底層的具體實現細節。其次物理層的主要任務包括：

????????比特流的傳輸：物理層負責將數據鏈路層傳遞下來的比特流轉換為適合在物理媒介上傳輸的信號，并在接收端將這些信號轉換回比特流。?物理連接的建立、維持和釋放：物理層需要管理物理連接的生命周期，包括連接的建立、維持和釋放。信號的編碼和調制：物理層需要將比特流編碼為適合傳輸的信號，并可能需要對信號進行調制，以適應不同的傳輸媒介。傳輸速率的控制：物理層需要控制數據的傳輸速率，以適應不同的傳輸媒介和設備的能力。

二、數據通信的基本知識

????????在深入了解物理層之前，首先需要掌握一些數據通信的基本概念。

2.1 數據通信系統的模型

????????一個典型的數據通信系統包括源系統、傳輸系統和目的系統。源系統負責生成要傳輸的數據，傳輸系統負責將數據從源系統傳輸到目的系統，目的系統負責接收并處理數據。

????????源系統一般包括一下兩個部分：
????????（1）源點(source)：源點設備產生要傳輸的數據，例如，從PC機的鍵盤輸入漢字，PC機產生輸出的數字比特流。源點又稱為源站，或信源。
????????（2）發送器：通常源點產生的數字比特流要通過發送器編碼后才能夠在傳輸系統中進行傳輸。典型的發送器就是調制器。現在好多PC機使用內置的調制解調器(包括調制器和解調器)，用戶在PC機外面看不見調制解調器。
????????目的系統一般包括一下兩個部分：
????????（1）接收器：接收傳輸系統傳送過來的信號，并把它轉換為能夠被目的設備處理的信息。典型的接收器就是解調器，它把來自傳輸線路上的模擬信號進行解調，提取出在發送端置入的消息，還原出發送端產生的數字比特流。
????????（2）終點：終點設備從接收器獲取傳送來的數字比特流，然后把信息輸出。

2.2 信道的概念

????????信道是指用于傳輸信息的物理媒介。根據傳輸方向的不同，信道可以分為單工、半雙工和全雙工。單工信道只能單向傳輸，半雙工信道可以雙向傳輸但不能同時進行，全雙工信道則可以同時雙向傳輸。

?2.3 編碼與調制

????????在實際通信系統中，編碼和調制通常是結合使用的，以實現更高的傳輸效率和可靠性。例如，在無線通信中，常采用自適應調制與編碼（AMC，Adaptive Modulation and Coding）技術，根據信道條件動態調整編碼和調制方式，以優化傳輸性能。

????????計算機需要處理和傳輸用戶的文字圖片音頻和視頻，他們統稱為消息，而數據是運送消息的實體，相較于人類比較熟悉的十進制數據，而計算機只能處理二進制數據，也就是比特零和比特一。

????????計算機中的網卡將比特零和比特一變換成相應的電信號發送到網線，也就是說信號是數據的電磁表現。由信源發出的原始電信號稱為基帶信號，基帶信號又可分為兩類：

? ? ? ? （1）數字基帶信號，例如計算機內部CPU與內存之間傳輸的信號；

????????（2）模擬基帶信號，例如麥克風收到聲音后產生的音頻信號。

????????此外信號需要在信道中進行傳輸，信道可分為數字信道和模擬信道兩種。在不改變信號性質的前提下，對數字基帶信號波形進行變換，稱為編碼。編碼后產生的信號仍為數字信號，可以在數字信道中傳輸；把數字信號的頻率范圍搬移到較高的頻段，并轉換為模擬信號，稱為調制。調制后產生的信號是模擬信號，可以在模擬信道傳輸。

2.3.1 基本調制方法介紹

（1）常用編碼方式

不歸零制：正是1，負是0
歸零制：正脈沖是1，負脈沖是0
曼切斯特編碼：位周期中心向上跳是0，向下是1
查分曼切斯特：中心都跳變，邊界跳變是0，不跳變是1

（2）調制方法

????????調制是將信息信號轉換為適合在傳輸媒介上傳輸的形式的過程。其主要目的是使信號能夠在特定的傳輸媒介上有效傳播，并抵抗噪聲和干擾。

????????模擬調制是通過改變載波信號的某一特性（如幅度、頻率或相位）來表示信息信號的過程。常見的模擬調制方式包括：

????????調幅（AM）：通過改變載波的幅度來表示信息信號；

????????調頻（FM）：通過改變載波的頻率來表示信息信號；

????????調相（PM）：通過改變載波的相位來表示信息信號。

? ? ???數字調制是將數字信息映射到模擬信號的過程。常見的數字調制方式包括：

????????幅度鍵控（ASK）：通過改變載波的幅度來表示不同的數字狀態；

????????頻率鍵控（FSK）：通過改變載波的頻率來表示不同的數字狀態；

????????相位鍵控（PSK）：通過改變載波的相位來表示不同的數字狀態；

????????正交幅度調制（QAM）：結合幅度和相位調制，在同一頻率上同時傳輸多個比特。

2.4 信道的極限容量

?????????香農定理（Shannon Theorem）是信息論的基石之一，它指出，信道的最大傳輸速率與信道帶寬和信噪比有關。具體而言，信道的最大傳輸速率等于帶寬乘以信噪比的對數值。

（1）香農定理的公式

????????在加性高斯白噪聲（AWGN）信道中，信道的最大傳輸速率（即信道容量）C與信道帶寬B和信噪比S/N之間的關系可以用以下公式表示：

????????C：信道容量，單位為比特每秒（bps）。
????????B：信道帶寬，單位為赫茲（Hz）。
????????S：信號功率，單位為瓦特（W）。
????????N：噪聲功率，單位為瓦特（W）。
????????S/N：信噪比，即信號功率與噪聲功率的比值。

????????該公式表明，信道的最大傳輸速率取決于信道的帶寬和信噪比。增大帶寬或提高信噪比都可以提高信道的容量。然而，增大帶寬時，噪聲功率也會相應增加，因此，信道容量的提升并非線性。

（2）香農極限

????????在給定的信道帶寬和信噪比條件下，存在一個理論上的最大傳輸速率，即香農極限。當傳輸速率接近或達到香農極限時，誤碼率會急劇增加。因此，實際通信系統的設計需要在傳輸速率和誤碼率之間進行權衡。它告誡工程人員，在有噪聲的實際信道上，無論采用多么復雜的編碼技術，都不能突破上述公式給出的信息傳遞速率的絕對極限。