计算机网络读书笔记——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。
用于物理层的协议也常称为规程（procedure），其实物理层规程就是物理层协议。只是在“协议”这个名词出现之前人们就先使用了“规程”这一名词。数据在计算机中多采用并行传输的方式，但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输（出于经济上的考虑），即逐个比特按照时间顺序传输，因此物理层要完成传输的转换。

数据通信的基本知识

如图，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）。

源系统包括：

• 源点：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC机的键盘输入汉字，PC机产生输出的数字比特流。源点又称信源
• 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机使用内置的调制解调器（包含调制器和解调器），用户在PC机外面看不见调制解调器。

目的系统包括：

• 接收器：接收传输系统传过来的信号，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：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机屏幕上显示出来）。终点又称信宿。

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。

下面我们介绍一些常用术语

消息：通信的目的是传送消息，如话音、文字、图像等。
数据：是运送消息的实体。
信号：是数据的电磁的表现。（来自信源的信号通常称为基带信号，即基本频带信号）

其中信号可分为两大类：

1. 模拟信号——代表消息的参数的取值是连续的。
2. 数字信号——代表消息的参数的取值是离散的。在使用时间域（或简称时域）的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

有关信道的几个基本概念：

信道和电路不等同，信道一般是用来表示向某一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。

从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：

1. 单工通信（只能一个方向的通信而没有反方向的交互）
2. 半双工通信（通信双方均可发送消息，但不能同时发送或接收）
3. 全双工通信（通信双方均可同时发送、接收信息）。
   

有时人们也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。如常说的“单工电台”并不是只能进行单向通信。
使用载波把基带信号频率范围搬移至较高频段可以解决许多信道不能传输低频分量或直流分量的问题。调制后的信号称为带通调制。
带通调制方法有：
1. 调幅（载波的振幅随基带数字信号而变化）
2. 调频（载波的频率随基带数字信号而变化）
3. 调相（载波的初始相位随基带数字信号而变化）

信道的极限容量

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。

限制码元字信道的传输速率的因素

1. 信道能够通过的频率范围：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问题，使接收端对码元的的识别成为不可能（奈式准则）。
2. 信噪比：
   噪声是随机产生的，它的瞬时值有时很大，会使接收端对码元的判断产生错误（1判断为0,0判断为1）。但噪声影响是相对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较少。因此信噪比很重要，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（signal/noise），并用分贝作为度量单位。
   
   信噪比（dB）=lg(S/N)

例如，当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。1948年，信息论创始人香农推导出著名的香农公式，香农公式推出：信道的极限信息传输速率C是：

C=Wlog2(1+S/N)

式中，W为信道带宽（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。香农公式表名，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。