一、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。

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：

1、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。

2、电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

如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的电压的意义，接口部件信号线的用途。

4、过程特性（规程特性）

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序，工作规程和时序的关系。

二、数据通信

1、术语

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。

           数字信号：代表消息的参数取值是离散的。

           模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接收数据的终点。

信道：信号的传输媒介，一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

码元：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，一码元可以携带多个比特的信息量。

2、通信方式

1、单向通信（单工通信）

只能有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需一条信道。如：无线电广播或有线电广播以及电视广播。

2、双向交替通信（半双工通信）

通信的双方都可以发送或接收信息，但不能双方同时发送或接收，需两条信道。

3、双向同时通信（全双工通信）

通信的双方可以同时发送和接收信息，需两条信道。

3、数据传输方式

串行传输：速度慢，费用低，适合远距离。

并行传输：速度快，费用高，适合近距离。

4、编码与调制

（1）数字数据编码为数字信号

 

非归零编码：高1低0，没有检错功能，收发双方难以保持同步。

归零编码：信号电平在一个码元之内都要恢复到零。

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，可反过来定义，每个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

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。

（2）数字数据调制位模拟信号

调幅：即载波的 振幅随基带数字信号而变化。

调频：即载波的频率随基带数字信号而变化。

调相：即载波的初始相位随基带数字信号而变化。

三、奈氏准则和香农定理

1、奈氏准则

结论：在带宽为W（Hz）的低通信道中，若不考虑噪声影响，则码元传输的最高速率是2W（码元/秒）。传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决（识别）成为不可能。

公式：理想低通信道下的极限数据传输率 = 2 W log2 V (b/s)

（其中W为带宽，V代表有几种码元）

想提高数据率，可以提高带宽/采用更好的编码技术。

例题：

在无噪声的情况下，若某通道链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则改通信链路的最大数据传输率是多少？

答：

信号有4×4种变化，也就是码元有16种状态，V=16

最大数据传输率 = 2×3k×4 = 24kb/s

2、香农定理

先说一下信噪比的概念。

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。但通常大家都是使用分贝（dB）作为度量单位，即：

信噪比（dB） = 10 log10（S\N） （dB）

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。

香农公式：信道的极限信息传输速率C = W log2 （1+S/N） （bit/s）

香农公式表明：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。

想提高数据率，可以提高带宽/信噪比。

案例1：

电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少？

答：

代入公式：30dB = 10 log10 （S/N）

则S/N = 1000

信道的极限信息传输速率C = 3000×log2（1+1000）≈30kb/s

案例2：

二进制信号在信噪比为127：1的4kHz信道上传输，最大的数据速率可达到多少？

答：

奈氏：2×4000×log2 2 = 8000b/s

香农：4000×log2 （1+127） = 28000b/s

两者均为最大数据速率，选择两者中较小的，为8000b/s