Physical Layer

Posted 2022-03-15 ITWEL

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Physical Layer相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

一.主要任务

确定与传输媒介的接口相关的一些特性，使数据能够在各种计算机的传播媒介上传输数据“比特流”（必须屏蔽传输媒介（有线和无线）和通信手段的差异）。

特性如下：

（1）机械特性：指明接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目...

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（2）电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压意义。
（4）过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

补充

数据在计算机中采取并行传输方式，但是数据在通信线路中使用的是传输方式一般都是串行传输（出于经济考虑）

二.基本相关概念

I.数据通信系统模型

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（1）源点：指的是源点设备所产生的的数据。例如，通过键盘敲出的汉字在计算机中会转变为数字比特流。
（2）发送器：为数字比特流进行编码的一种器件，只有通过编码后才能够在传输系统上进行运输。例如：调制器就是发送器的一种。

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（3）调制解调器：
一种计算机计算机硬件，它能够把计算机的数字信号翻译成可以沿普通电话线传送的模拟信号（信号在时间和数值上都是连续变化的），这一些模拟信号又可以被线路另一个调制解调器接收，并翻译成计算机能够听懂的语言。
调制解调器和路由器的区别参考：
https://baike.baidu.com/item/%E8%B0%83%E5%88%B6%E8%A7%A3%E8%B0%83%E5%99%A8/103486?fr=aladdin
https://zhidao.baidu.com/question/177145825.html
（4）接收器：接收传输系统传送来的信号，并把它转化为能够被目的设备处理的信息。典型的就是解调器。

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（5）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，终点又称“目的站”或“信宿”。
（6）码元：一个码元就是一个脉冲信号。单位是Baud.

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参考：https://www.zhihu.com/question/280404107

II.信道分类

根据信道（传播信息的媒介）的传播方向，分为以下三种:
(1)单工通信：只有一个方向的通信没有反方向的交互。如：广播电台。
（2）半双工通信：通信方向是双向的，但是不能够同时发送消息。
（3）全双工通信：通信方向是双向的，而且能够同时发送消息。

信道的极限容量

数字信号在通信的过程中，码元的传输速率越高、信号传输距离越远、噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形失真越严重。为了解决这些问题产生了如下两个准则：

码间串扰：

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I.奈式准则

在带宽为W（Hz）的低信道中，如果不考虑噪声的影响，则码元传输的最高速率为2W（码元/秒）。传输速率超过此上限，会产生严重的码间串扰问题。

II.香农公式

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三.传输媒体

传输媒体也称为传输介质或传输媒介。根据有线和无线分为导引型媒介和非导引型媒介。

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I.导引型媒介

（1）双绞线

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水晶头

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双绞线和水晶头连接有两个标准：

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连接步骤：

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特点如下：

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八根线的用途参考：
https://zhidao.baidu.com/question/104710622.html

（2）光纤

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内部结构如下图

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光纤特点：

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（3）同轴电缆

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特点：

（1）体积大，细缆的直径就有3/8英寸粗，要占用电缆管道的大量空间；
（2）不能承受缠结、压力和严重的弯曲，这些都会损坏电缆结构，阻止信号的传输；
（3）成本高，而所有这些缺点正是双绞线能克服的，因此在现在的局域网环境中，基本已被基于双绞线的以太网物理层规范所取代。

思维拓展

小时候的通过天线来观看视频是如何实现的呢？

具体细节请参考：

https://zhidao.baidu.com/question/1247197391325112499.html

II.非导引型媒介

（1）电磁波

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具体详细过程可以参考：
https://www.zhihu.com/question/321111427/answer/661455257

麦克斯韦公式讲解如下：

http://www.360doc.com/content/21/0207/09/15805985_961097873.shtml

无线波分类

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四.信道复用技术

参考来源：https://blog.51cto.com/blogger/draft/1283445/h26976cb-8SeTMknJ

为什么要使用信道复用技术？

共享信道、最大限度提高信道利用率
复用：就是将多个信号变成复合信号，然后可以通过同一个信道传输，节省成本。

I.分类

信道复用技术分为
（1）频分复用技术
（2）时分复用技术
（3）波分复用技术
（4）码分复用技术
（5）空分复用技术
（6）统计复用技术
（7）极化波复用技术

II.具体讲解

（1）频分复用技术

英文为：frequency division multiplex-ing technique.
将总带宽划分为若干个子频带，每个子信道只传输1路信号。
要求:总频率宽度大于各个子信道的频率之和，在子信道之间设立隔离带，防止干扰。
特点：所有的子信道之间的传输都是并行传输。
优点：信道的复用率高。
缺点：收发两端需要大量的载频（特定频率的无线电波）并且相同的载频必须同步，设备比较复杂。

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（2）时分复用技术

英文名：(Time Division Multiplexing,TDM）
简单理解就是大家使用相同的频谱，但是占用不同的时间段，采用同一物理连接的不同时段来传输不同的信号。
优点：节省能源，最大化使用资源。
缺点：所有节点需要精确的时钟源，并且需要周期性校时；向网络中添加和删除节点都要有时隙分配和回收算法

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参考内容来源

https://www.zhihu.com/question/64179468/answer/2302129047

（3）波分复用技术

英文名：WDM（Wavelength Division Mutiplexing）
将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端（信道间隔距离短，能够传递多种信号）经过复用器汇合到一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经过复用器将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复信号。
缺点：设备昂贵，技术复杂。

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