我们今天进入物理层的学习，如果还没有了解OSI网络层次模型和TCP/IP层次模型的小伙伴可以点击这里：

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物理层的基本概念

物理层是通信的基础，它主要负责解决如何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。物理层的主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准。这些标准包括：

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、引线数目、引脚数目和排列情况。
电气特性：规定传输二进制时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
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。
规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

此外，物理层还需要完成传输方式的转换，因为数据在传输媒体上的传输方式一般都是串行传输，而有些接口使用的是并行传输。

数据通信的基本知识

数据通信系统的模型主要包括以下组成部分：

源系统：
源点（Source）：这是产生要传输数据的设备。例如，当从PC机的键盘输入汉字时，PC机就会产生输出的数字比特流。源点也被称为源站或信源。
发送器：源点产生的数字比特流通常需要通过发送器进行编码，以便在传输系统中进行传输。典型的发送器是调制器，它将数字信号转换为适合在传输介质上传输的形式。
传输系统：这包括传输介质（如光缆、电缆、无线电波等）以及可能存在的中继器和交换机等设备，它们负责将信号从源点传输到目的点。
目的系统：
接收器：它负责接收从传输系统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。例如，解调器是接收器的典型形式，它将来自传输线路上的模拟信号进行解调，还原出发送端产生的数字比特流。
终点（Destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，并将其转换为可理解的信息形式。例如，在PC机屏幕上显示汉字。终点也被称为目的站或信宿。

在整个模型中，数据是信息的表现形式，而信号则是数据的电气或电磁表示，用于在传输介质上传输。

此外，数据通信模型还涉及数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）的交互。DTE是远端的数据终端设备，如计算机或数据终端设备，而DCE则是连接DTE和传输线路的设备。当通信信道是模拟信道时，DCE负责将数据信号转换为模拟信号，并在接收端进行相反的转换。对于数字信道，DCE则负责信号码型与电平的转换、信道特性的均衡、收发时钟的形成与供给等功能。

总的来说，数据通信系统的模型是一个复杂的网络结构，涉及到多个组件和设备的交互，以确保数据能够准确、高效地从一个点传输到另一个点。

一些专业术语

消息和数据

消息(message)：如话音、文字、图像、视频等。
数据 (data)： 运送消息的实体。有意义的符号序列

信号

信号 (signal)：数据的电气的或电磁的表现。

根据信号中代表消息的取值方式不同，信号可分为以下两大类：

模拟信号（连续信号）：其波形模拟着信息的变化而变化，幅度是连续的，可取无限多个值。
数字信号（离散信号）：如电报信号和脉冲编码调制(PCM)信号等，它们的特点是幅度是离散的，通常只取有限个值。二进制信号就是一种典型的数字信号，它由“1”和“0”这两位数字的不同组合来表示不同的信息。

码元

离散信号中还有一个概念：码元：

码元是数字通信中的基本概念，用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）代表不同数值的基本波形。而这个间隔被称为码元长度。
在数字通信中，码元是承载信息量的基本信号单位。当码元的离散状态大于2个时，如M进制码元，它就能够表示更多的信息。每一个码元可以携带多个比特的信息量，具体取决于码元的进制数。例如，在二进制编码中，码元只有两种不同的状态，分别代表0和1。

这里注意一下，我们这里看到我们只有0和1这两种状态，所以，此时的的码元我们称为二进制码元。如果我们有四种状态，就叫四进制码元。一个码元状态的持续时间称为码元宽度。

我们再来想想，二进制码元可以只用1位来表示状态：
如果，我们是四进制码元，就要有四种状态，要表示四种状态，我们就要有2个bit位：

如果是十六进制码元呢？答案很简单，是4位。由此我们可以推出M进制码元需要用logM（以2为底）位来表示。

传输速率的两种表示方法

传输速率可以用不同的方式来表示，其中两种常见的表示方法是波特率（Baud rate）和比特率（Bit rate）。

波特率（Baud rate）： 波特率表示每秒传输的信号变化（码元）的数量它通常用于模拟调制和数字通信中，特别是在调制解调器、调制调制器等设备中。波特率的单位是波特（Bd）。例如，如果波特率为 9600 波特，意味着在每秒钟内有 9600 个信号变化（码元）被传输。
比特率（Bit rate）： 比特率表示每秒传输的比特数，即每秒传输的二进制位数量。它用于衡量数字通信系统中实际的数据传输速率。比特率的单位是比特每秒（bps）或者千比特每秒（kbps）、兆比特每秒（Mbps）等。例如，如果比特率为 9600 bps，表示每秒传输 9600 个二进制位。

这里可能比较绕，我们来举个例子：
首先，码元传速速率（波特率）肯定很好求，就是 8000 / 4 = 2000 Baud。

现在就是求比特率，我们回忆一下码元的定义：用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）代表不同数值的基本波形。意思就是一个波形就是一个码元：
同时告诉我们是四进制码元，意思就是一个码元有两位（log4），一个码元携带2位：这个时候可以求比特率了就是 2 * 2000 = 4000b/s
如果是十六进制码元，就是一个码元可以携带4位数据，就是 4 * 2000。

带宽

带宽是一个在多个领域中都有应用的概念，其含义和应用场景因领域而异。

在信号传输领域，带宽通常指的是信号所占据的频带宽度，也称为频宽，它决定了信道能够传输的最大信息容量。带宽可以用来标识信号传输的数据传输能力、标识单位时间内通过链路的数据量以及标识显示器的显示能力。在模拟信号系统中，带宽是以赫兹（Hz）为单位，表示在固定的时间内可传输的资料数量。而在数字设备中，带宽则是指单位时间内链路能够通过的数据量，通常以比特每秒（bps）来表示。

此外，带宽在信息论、无线电、通信、信号处理和波谱学等领域都是核心概念，不同的应用领域可能会有其特定的精确定义。

另一方面，在计算机网络中，带宽是指网络的通信线路所能传送数据的能力，它衡量了在网络中可发送数据的最大速率。带宽越高，在单位时间内可传输的数据量就越大，网络的速度也就越快。

串行传输和并行传输

串行传输和并行传输是两种不同的数据传输方式，它们在传输方式、效率、适用场景等方面存在显著差异。

串行传输使用一条数据线，将数据一位一位地依次传输，每一位数据占据一个固定的时间长度。这种方式特别适用于计算机与计算机、外设之间的远距离通信，因为只需要少数几条线就可以在系统间交换信息
串行传输的优点在于其使用的线路少，从而降低了硬件成本和系统复杂性。此外，串行传输在远距离通信中表现良好，因为只需要少数几条线就可以在系统间交换信息。这使得串行传输在计算机与外部设备之间的通信中特别有用，例如USB、串行端口等。
然而，串行传输的缺点在于其传输速度相对较慢。由于数据需要一位一位地依次传输，因此其传输效率不如并行传输高。此外，虽然串行传输在抗干扰能力方面较强，但在处理大量数据时可能会受到一定的限制。

相对地，并行传输则通过多条通路同时传输数据，即数据以成组的方式在多条并行信道上同时进行传输。
并行传输的优点在于其传输速度快。由于数据可以同时在多条线路上进行传输，因此可以大幅度提高数据传输的速率。这使得并行传输在处理大量数据或需要高速数据传输的场景中非常有效，例如图像处理、视频传输以及超级计算机等高性能计算领域。
然而，并行传输也存在一些缺点。首先，它需要的线路数量多，这导致了硬件成本的增加。其次，当传输距离较远时，并行传输需要更多的线路来保持信号稳定，这进一步增加了成本和复杂性。此外，由于每条线路都可能存在传输延迟和干扰，因此并行传输在传输稳定性和可靠性方面可能会面临挑战。

同步传输和异步传输

同步传输和异步传输是在计算机和通信领域中常见的术语，用于描述数据传输过程中的不同方式：

同步传输：
同步传输是指数据传输过程中发送方和接收方之间使用时钟信号或其他同步机制来协调数据的发送和接收。
发送方会根据时钟信号的节拍将数据发送给接收方，接收方也会根据相同的时钟信号来接收数据。
这种同步机制确保了数据的稳定传输，但同时可能导致传输效率低下，因为发送方和接收方需要严格同步。
异步传输：
异步传输则是在数据传输过程中不需要严格的时钟同步信号。
发送方和接收方之间使用特定的起始和停止位来标识数据的起始和结束，而不需要时钟信号来同步传输。
这种方式通常比同步传输更灵活，并且在短距离或低速率的通信中更常见。

信道

信道是通信系统中不可或缺的一部分，它指的是信号的传输媒介，或者说是信号从发送端传输到接收端所经过的通道。信道的主要作用是为信号提供一个可靠的传输路径，确保信号能够准确、高效地到达目的地。

从交互方式来看，信道主要可以分为以下三类：

单工通信：这种通信方式只允许信息在一个方向上传输，而没有反方向的交互。也就是说，通信的双方中，一方只能发送信息，而另一方只能接收信息。典型的例子包括无线电广播和电视广播，其中广播台发送信息，而听众或观众则接收信息。这种通信方式只需要一条信道。
半双工通信：在这种通信方式中，通信的双方都可以发送和接收信息，但不能同时进行。也就是说，当一方在发送信息时，另一方只能接收；而当一方在接收时，另一方可以发送。这种通信方式需要两条信道，但不同时刻只使用其中的一条。
全双工通信：全双工通信允许通信的双方同时发送和接收信息。这意味着双方可以在同一时刻进行交互，大大提高了通信的效率。这种通信方式同样需要两条信道，但这两条信道都是活跃的，用于同时传输发送和接收的数据。

每种通信方式都有其特定的应用场景和优缺点。例如，单工通信简单且成本低，但交互性差；半双工通信提供了一定的交互性，但效率较低；全双工通信虽然成本较高，但提供了最高的交互性和效率。因此，在选择通信方式时，需要根据具体的应用需求和场景进行权衡。

基带信号

基带信号是信源（信息源，也称发送端）发出的没有经过调制的原始电信号。其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式。基带信号可以分为数字基带信号和模拟基带信号，具体取决于信源的性质。例如，我们说话的声波就是一种基带信号，它直接表达了要传输的信息。

计算机输出的代表各种文字图像文件的数据信号都属于基带信号，包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，然而许多信道不能传输这种信号。所以必须对基带信号进行调制。

调制

调制是通信技术中的一个关键概念，指有意或无意地使表征一振荡或波的量随着一信号或另一振荡或波的变化而变化的过程。在通信中，调制主要用于将基带信号转换为适合在信道中传输的频带信号。具体来说，调制通过改变高频载波信号的某些性质（如频率、振幅、相位等），使其能够携带信息并混合成一个新的复合信号，即调制信号。

调制主要可以分为以下两大类：

基带调制：此类调制主要对基带信号的波形进行转化，使其能与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。由于基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，人们通常将这个过程称为编码（coding）。常用的编码方式有不归零制、归零制、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。
带通调制（也称载波调制）：此类调制利用载波将基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并将信号转换为模拟信号。经过载波调制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。常用的带通调制方式有调幅、调频和调相。为了达到更高的信息传输速率，有时需要采用技术上更为复杂的多元制混合调制方法。

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，而位开始边界没有跳变代表 1。