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一、物理层的主要任务

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。

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，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是什么。

二、传输媒体

• 引导型传输媒体

• 同轴电缆

• 双绞线

• 光纤

• 电力线

• 非导引型传输媒体

• 无线电波

• 微波

• 红外线

• 可见光

1. 同轴电缆

如下图所示：

• 基带同轴电缆(50Ω)
  数字传输，过去用于局域网
• 宽带同轴电缆(75Ω)
  模拟传输，目前主要用于有线电视

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本上都是采用双绞线作为传输媒体。

2. 双绞线

绞合的作用：

• 抵御部分来自外界的电磁波干扰
• 减少相邻导线的电磁干扰

以下参数的双绞线了解即可：

3. 光纤

光纤的优缺点：

• 优点

• 通信容量大（25000~30000GHz的带宽）

• 传输损耗小，远距离传输时更加经济。

• 抗雷电和电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。

• 无串音干扰，保密性好，不易被窃听。

• 体积小，重量轻。

• 缺点

• 割接需要专用设备

• 光电接口价格较贵

当光从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角;
因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光碰到包层时，就会反射回纤芯。

多模光纤和单模光纤：

4. 电力线

三、传输方式

1. 并行传输与串行传输

示意图如下所示：

计算机网络采用的传输方式是串行传输，这是因为如果采用串行传输的话成本会成倍增加，而且不利于维护；而常见的并行传输有冯诺依曼计算机体系结构中的总线：

2. 同步传输和异步传输

这里的同步与异步是针对传输信息的字节而言的。

同步传输

异步传输

3. 单工、半双工和全双工

四、编码与调制

数据的编码与调制过程如下所示：

2. 码元

3. 常用编码

3.1 不归零编码

3.2 归零编码

3.3 曼彻斯特编码

例如向上跳变表示逻辑0，向下跳变表示逻辑1，也可能是反过来。

3.4 差分曼彻斯特编码

例如码元开始处发生变化表示逻辑1，没发生变化表示逻辑0，也可能是反过来。而码元中间的跳变表示时钟。

例题

4. 调制

基本调制方法

即01比特信号可以分别采用调幅、调频和调相三种方式表达出来。

混合调制

常用的混合调制方法为QAM-16：

• QAM-16

• 12种相位

• 每种相位有1或2种振幅可选

• 可以调制出16种码元(波形)

• 每种码元可以对应表示4个比特

• 码元与4个比特的对应关系采用格雷码，任意两个相邻码元只有1个比特不同

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五、信道的极限容量

1. 信号失真问题

失真因素：

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

2. 奈氏准则

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。

实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。

3. 香农公式

香农公式是用于计算带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率的公式。

结论：信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
不足：在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。

在信道带宽一定的情况下， 根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制（更好的调制方法）和努力提高信道中的信噪比。

4. 例题

使用奈氏准则：

使用香农公式：

综合应用：