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前言

经历了两篇文章的学习，相信读者们一定对计算机网络有了一个基础的了解。接下来的学习中，我们将深入展开对物理层、数据链路层，网络层，运输层，应用层的学习。今天我们将初步了解一下物理层，本篇文章会重点告诉读者们以下内容：物理层的基本概念、数据通信的基本知识、物理层下面的传输媒体。

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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。

物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是什么。

用于物理层的协议也常称为物理层规程。其实物理层规程就是物理层协议。

可以将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性。
(1) 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。平时常见的各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。

(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:指明某条线上出现某一电平的电压的意义。

(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。

数据在通信线路(传输媒体)上的传输方式一般都是串行传输。

2.2 数据通信的基础知识

2.2.1 数据通信系统的模型

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)

源系统一般包括以下两个部分
源点： 源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站或信源。

发送器：通常源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。

目的系统一般也包括以下两个部分：
接收器：接收传输系统发送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。

终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出，终点又称为目的站或者信宿。

在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。

通行的目的是发送信息。话音、文字、图像、视频等都是消息。

数据时传送信息的实体。

根据信号中代表消息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：
(1) 模拟信号，或连续信号——代表消息的参数的取值是连续的。

(2) 数字信号，或离散信号——代表消息的参数的取值是离散的。

在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形，就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态。

2.2.2有关信道的几个基本概念
一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
(1) 单向通信 又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互

(2) 双向交替通信 又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送消息，但不能同时发送（当然也就不能同时接收）。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则需要两条信道。

来自信源的信号常称为基带信号(即基本频带信号)，基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制。

调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此把这种过程称为编码。另一类调制则需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转为模拟信号，这样就能更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号(即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。

1、常用编码方式

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：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1.但也可以反过来定义。

差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，而位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

2、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。

2.2.3 信道的极限容量

数字通信的有点就是：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就可视为无影响。

限制码元在信道中的传输速率的因素有以下两个
(1) 信道能够通过的频率范围
奈奎斯特推导出了著名的奈氏准则。
奈氏准则的结论是：在带宽为W(HZ)的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别）成为不可能。

实际的信道都是有噪声的，因此我们还必须知道信道的信噪比数值。

(2) 信噪比
信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常识为S/N。但通常大家都是使用分贝(dB)作为度量单位。
信噪比(dB) = 10$\lg (S/N)$dB。

香农公式指出：信道的极限信息传输速率C = w${\log }_2(1+S/N)$(bit/s)
其中，w是信道的带宽（以Hz为单位），S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。
香农公式指出了信息传输速率的上限。香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定存在某种 方法来实现无差错的传输。

用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

2.3 物理层下面的传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介，它就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。
传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体

2.3.1 导引型传输媒体

1、双绞线
双绞线也称为双扭线，是最古老但又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。

几乎所有的电话都用双绞线连接到电话交换机。这段从用户电话机到交换机的双绞线称为用户线或用户环路。现在的以太网基本上也是使用各种类型的双绞线电缆进行连接的。

在电话系统中使用的双绞线，其通信距离一般为几公里。如果使用较粗的导线，则传输距离也可以达到十几公里。

无屏蔽双绞线UTP的价格较便宜。当数据的传送速率增高时，可以采用屏蔽双绞线。

2、同轴电缆
同轴电缆由导体同质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编制的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及绝缘保护套层所组成。由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。

3、光缆
光纤通信就是利用光导纤维（光纤）传递光脉冲来进行通信的。
可以存在多条不同角度入射的光纤在一条光纤中传输。这种光纤就称为多模光纤。

光纤不仅具有通信容量非常大的有点，而且还具有其他的一些特点。
(1) 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

(2) 抗雷电和电磁干扰性能好。

(3) 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

(4) 体积小，重量轻。

在导引型传输媒体中，还有一种架空明线——在电线杆上架设的互相绝缘的明线。

2.3.2 非导引型传输媒体

利用无限电波在自由空间（非导引型传输媒体）的传播就可较快地实现多种通信。

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总结

读完本篇文章，读者需要知晓与传输媒体的接口有关的4个特性，分别是机械特性，电气特性，功能特性和过程特性。需要重点掌握的是数据通信的基本知识。知道什么叫数据信号，什么叫模拟信号，知道什么叫单工通信，什么叫半双工通信。需要知晓常用的编码方式和基本的带通调制方式。此外仍需要重点掌握信道的极限容量，理解香农公式。最后，读者需要稍微了解一下物理层下的两种传输媒体，一种叫做导引型传输媒体，另一种叫做非导引型传输媒体。