《计算机网络》4小时期末速成课笔记-物理层

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什么是物理层？

物理层（Physical Layer）是计算机网络OSI模型中最低的一层，也是最基本的一层。简单的说，网络的物理层面确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。物理层规定：为传输数据，需要物理链路与设备的建立、维持、拆除，并具有机械的、电子的、功能的、规范的特性。

物理层的四种特性

物理层：在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，确定与传输媒体接口有关的一些特性。
1.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。
2.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。
3.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。
4.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

物理层是计算机网络的最底层，主要负责在各种传输媒体上实现数据比特流的传输。它定义了与传输媒体的接口特性和传输过程的标准，包括：

机械特性：规定了接口所使用的连接器的形状、尺寸、引线数量及排列。
电气特性：规定了信号的电压范围和传输方式。
功能特性：定义了信号的特定电平或变化所表示的意义。
过程特性：说明了信号在传输中发生的顺序和响应机制。
物理层的任务是尽可能地屏蔽不同传输媒体和通信技术之间的差异，以保证数据比特流能够在各种物理媒介上传输

数据通信基础

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M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。（简单来说一个码元携带log₂M个比特）

码元传输速率（波特率），是单位时间内传输的码元个数，单位是波特Baud(B)。

编码与调制

归零编码、非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

常用信号调制是将基带信号（如语音、图像或数据信号）加载到高频载波信号上的技术，以便于信号的传输和处理。以下是一些常用的信号调制方式，按其分类整理如下：
振幅调制 (Amplitude Modulation, AM)
原理：通过改变载波信号的振幅来表示基带信号。
应用：广播电台、电视传输。

相位调制 (Phase Modulation, PM)
原理：通过改变载波信号的相位来表示基带信号。
应用：卫星通信、移动通信。

频率调制 (Frequency Modulation, FM)
原理：通过改变载波信号的频率来表示基带信号。
应用：调频广播（如FM广播），无线通信。

奈氏准则和香农定理

奈氏准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，极限码元传输速率为 2W Baud，W是信道带宽，单位是Hz，V是每个码元离散电平的数目（即有多少种码元）。

理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog₂V（b/s）

香农定理：在带宽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。

信道的极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N) （b/s）

信噪比（dB）=10log₁₀(S/N)

对于某带宽为4000Hz的低通信道，采用16种不同的物理状态来表示数据。按照奈奎斯特定理，信道的最大传输速率是(32kb/s)

有两种码元的信道在信噪比为127:1的4kHz信道上传输，最大的数据速率可以达到(8000b/s)

信道复用技术

多路复用技术
把多个信号组合在一条物理信道上进行传输，使得多个计算机或终端设备共享信道资源，提高信道利用率。把一条广播信道，逻辑上分成几条用于两个节点之间通信的互不干扰的子信道，实际就是把广播信道转变为点对点信道。

静态划分信道：
频分复用（FDM, Frequency Division Multiplexing）：将信道的总带宽划分为若干个不重叠的频率范围，每个频段分配给一个用户使用。
时分复用（TDM, Time Division Multiplexing）：将信道的时间划分为多个时间片，每个时间片分配给一个用户使用。
波分复用（WDM, Wavelength Division Multiplexing）：将光信道划分为不同的波长，每个波长对应一个用户。
码分复用（CDM, Code Division Multiplexing）：每个用户使用一个独特的码字来标识自己的数据，多个用户的信号可以在同一时间和频率上传输

统计时分复用

波分多路复用就是光的频分多路复用，在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，由于波长（频率）不同，所以各路光信号互不干扰，最后再用波长分解复用器将各路波长分解出来。

码分复用 (CDM, Code Division Multiplexing) ，常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)是一种数字信号传输技术，通过将多路信号分配到同一频率带宽和时间的广播信道中，同时使用不同的码字来区分各个信号。这种技术的核心是基于码字的正交性，用于确保信号的分离和无干扰传输。

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交 (orthogonal)。
在实用的系统中是使用伪随机码序列。