基本概念

物理层解决如何在连接各种计算机的网络媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 -> 定义标准

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、引脚数量和排列情况。

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。

例如：某网络在物理层规定，信号的电平用+10V ~ +15V表示二进制0，用-10V ~ -15V表示二进制1，电线长度限于15m内。

功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种含义，接口部件的信号线的用途。

例如：描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义。

规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序的关系。

1. 数据通信的基础知识

典型数据通讯模型

数据：传送消息的实体，通常是有意义的符号序列。

信号：数据的电气/电磁表示，是数据在传输过程中的存在形式。

数字信号：代表消息的参数取值是离散的。

模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接收数据的终点。

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，因此一条通讯线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

三种典型通信方式

从通信双方信息交互的方式来看，可以由三种基本方式：

两种数据传输方式

传输方式

串行传输：速度慢，费用低，适合远距离

并行传输：速度快，费用高，适合近距离，常用于计算机内部数据传输

几个重要的名词

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。例如，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，另一种代表1状态。

k进制码元 —— 4进制码元 -> 码元的离散状态有4个 -> 4种高低不同的信号波形 ：00 01 10 11

波特和速率

速率也叫数据率，是指数据的传输效率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输效率和信息传输效率表示。

码元传输速率：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。

信息测试速率：别名信息速率、比特率等，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。

关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s。

带宽

带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的”最高数据率“，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。

2.奈氏准则与香农定理

失真

影响失真程度的因素：

码元传输速率

信号传输距离

噪声干扰

传输媒体质量

码间串扰

码间串扰：接收端接到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

怎么解决码间串扰？

奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈氏准则：在理想低通（无噪声、宽带受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是通道带宽，单位是Hz。

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，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。

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。

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。

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。

之前的奈氏准则只是规定最高的码元传输速率，但没有规定比特传输速率最高是多少，香农定理就是解决这个问题的。

香农定理

在宽带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。

信道的宽带或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

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。

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试实现无差错的传输。

香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道的传输速率要比它低不少。

从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

区别

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