初识计算机网络||物理层

本文参考谢希仁《计算机网络（第6版）》，电子工业出版社出版。
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初识计算机网络||物理层

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。现有的计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类非常繁多，而通信手段也有许多不同方式。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(procedure)。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，即：

• 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。
• 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。

数据在计算机中多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输（这是出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输。因此物理层还要完成传输方式的转换。

2、数据通信的基础知识

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(source)：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC的键盘输入汉字，PC产生输出的数字比特流。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。典型的发送器就是调制器。现在很多PC使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC外面看不见调制解调器。

目的系统一般包括以下两个部分：

• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，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，然后把信息输出（例如，把汉字在PC屏幕上显示出来）。终点又称为目的站，或信宿。

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

常用术语

• 通信的目的是传送消息(message) 。如话音、文字、图像、视频等都是消息。
• 数据(data) 是运送消息的实体，通常是有意义的符号序列，这种信息的表示可用计算机处理或产生。
• 信号(signal) 则是数据的电气或电磁的表现。

信号的分类

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。

2.2 有关信道的几个基本概念

信道

信道（channel）和电路并不等同，信道一般都是用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

通信双方信息交互的方式

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。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。
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信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。
3. 双向同时通信 又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

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都需要两条信道（每个方向各一条）。显然，双向同时通信的传输效率最高。

基带信号

来自信源的信号常称为基带信号（即基本频带信号）。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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。

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，因此大家更愿意把这种过程称为编码(coding)。另一类调制则需要使用载波(carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够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。

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。

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。例如，0或1分别对应于无载波或有载波输出。
• 调频(FM)，即载波的频率随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于频率f1或f2。
• 调相(PM)，即载波的初始相位随基带数字信号而变化。例如，0或1分别对应于相位0度或180度。

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 (Quadrature Amplitude Modulation)。

2.3 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。码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。

限制码元在信道上的传输速率的因素

信道能够通过的频率范围

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。像上图所示的发送信号是一种典型的矩形脉冲信号，它包含很丰富的高频分量。如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不再是很明确的，而是前后都拖了“尾巴”。这样，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫做码间串扰。严重的码间串扰使得本来分得很清楚的一串码元变得模糊而无法识别。早在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。奈氏准则的推导已超出本书的范围，这可在通信原理教科书中查阅到。我们需要知道的就是：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，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。

如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误（1误判为0或0误判为1）。但噪声的影响是相对的。如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比就很重要。所谓信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记为 S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。即：
信