(更新时间)2021年4月27日 网络安全 物理层

一、物理层的基本任务

怎样能在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流?

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：

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、固定和锁定装置等等。
电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
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。
过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

二、数据通信的基本知识

典型的数据通信系统

源系统
1、源点 产生要传输的数据
2、发送器编码

传输系统

目的系统
1、接收器解码
2、终点接收数据

相关术语

• 数据(data)——运送消息的实体。
• 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。
• “模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。
• “数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。
• 码元(code)——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。

数字信号与模拟信号

数字信号：或者称为离散信号，一般计算机中数据的存储方式，在传输时常用代表不同离散数值的波形表示，如高低电平，一种代表0，一种代表1。

模拟信号：或者称为连续信号，一般人的声音等为模拟信号。
模拟信号可以通过采样、量化的方式转换成数字信号。

信道

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

信道的三种工作方式

基带(baseband)信号和带通(band pass)信号

基带信号
即基本频带信号 —— 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。

带通信号 —— 把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

举例说明：
老师在一个小班上课，由于教室比较小，声音需要传播的距离有限，不需要扩音设备，那么老师的声音就是基带信号。
老师在一个大教室上课，需要保证坐在最后排的同学能清楚地听到老师的声音，常常使用扩音设备将声音放大，以便声音能传输到更远的地方，经过放大后的信号就是带通信号。

基带数字信号最基本的调制方法

调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM) ：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
• 信道表示某一方向传送信息的媒体。

数字信号通过实际的信道

为了避免信号的严重失真，除了物理传输介质和传输的距离等客观因素外，我们必须规定传输介质上的码元传输速率，这就是信道的极限传输容量，意思是一个信道上规定的信号的最大传输速率，如果超过了这个速率，信号就可能产生严重的失真。如有些网线上标明了额定最大速率为100Mb/s，就是信道的极限传输容量。

信道极限传输容量

• 理想主义的奈奎斯特：奈氏准则
• 现实主义的香农：香农公式

奈氏准则

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

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的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

在物理学中我们知道采样频率达到2倍的信道频率时候，声音信号可以无失真的还原。

最大数据传输率= 2Hlog2V 或者 Blog2V

其中H是信道频率，B为波特率，单位为码元每秒，V是信号的离散级数，如二进制信号的离散级数就是2，也就是说无噪声的3KHZ信道最多能传送二进制的速率是6Kbit/S

香农公式

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。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C = W log2(1+S/N） b/s

W 为信道的带宽（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。

信噪比

信号的平均功率和噪声的平均功率之比S/N
信噪比(dB)=10log10(S/N)

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。

对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

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