Chapter 2. 物理层

公式与性质

• 基带传输：数字信道上的传输；宽带传输：模拟信道上的传输。

• 奈奎斯特定理（码元上限）：K 进制码元在带宽为 W 的理想低通信道中的极限数据传输速率为 2W\log _2 K 。

• 香农定理（比特上限）：带宽为 W 且有高斯噪声干扰，信噪比为 S/N 的信道中的极限数据传输速率为 W\log_2 (1+S/N) 。

• 数字数据编码为数字信号

  1. 归零编码 Return-to-Zero, RZ：高电平表示 1 ，低电平表示 0 （或相反）。每个码元的中间均跳变到 0 ，收发双方能同步。
  2. 非归零编码 Non-Return-to-Zero, NRZ：高电平表示 1 ，低电平表示 0 （或相反）。收发双方不能同步。
  3. 反向非归零编码 Non-Return-to-Zero Inverted, NRZI：电平跳变表示 0 ，不变表示 1 。在尽量不损失带宽的情况下使收发双方同步。（如 USB 2.0 ）
  4. 曼彻斯特编码：每个码元的中间发生跳变，向下跳变表示 1 ，向上跳变表示 0 （或相反）。电平调变既用于时钟信号，又用于数据信号。（如以太网）
  5. 差分曼彻斯特编码：每个码元的中间发生跳变，仅表示时钟信号；每个码元的开始处无跳变表示 1 ，有跳变表示 0 。

• 模拟数据编码为数字信号

  • 常用于对音频信号进行编码的脉冲编码调制 Pulse Code Modulation, PCM 。
  • 采样率必须大于等于最大频率的两倍。
    1. 采样
    2. 量化
    3. 编码

• 数字数据编码为模拟信号

  1. 调幅 AM 或幅移键控 ASK ：

     a\sin x \longrightarrow b\sin x

  2. 调频 FM 或频移键控 FSK ：

     \sin {ax} \longrightarrow \sin {bx}

  3. 调相 PM 或相移键控 PSK ：

     \sin {(x+a)} \longrightarrow \sin {(x+b)}

  4. 正交幅度调制 QAM ：将 AM 与 PM 结合，设波特率为 B ，采用 m 个相位，每个相位有 n 种振幅，则传输速率 R=B\log _2 (mn) 。

• 有线传输介质

  1. 双绞线 Twisted Pair （如 100...BaseT ）
  2. 同轴电缆 （如 10Base2 ）
  3. 光纤 Fiber （如 10BaseF ）

• 微波通信

  • 频率越高，范围越大；波长越短，指向性越强。

• 物理层接口的特性

  1. 机械特性：接口所用接线器的形状与尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
  2. 电气特性：电压范围、传输速率和距离限制等。
  3. 功能特性：某条线上的某一电平的电压的意义，以及每条线的功能。
  4. 过程特性（规程特性）：不同功能的各种可能事件的出现顺序。

• 中继器和集线器工作在物理层，半双工。

• 5-4-3 原则：互相串联的中继器的个数不能超过 4 个，串联形成的 5 段通信介质中，只有 3 段可以挂接计算机。

考点

• 对于理想低通信道，如果想用一个码元携带 4 \ bit 数据，那么一个码元应有 16 种不同的状态。

  4 \ bit 数据共有 2^4=16 种状态。

• 同轴电缆连接的主机间的通信方式是半双工。

• 传输时延最小的交换方式是电路交换。

• 物理地址不属于物理层接口规范定义范畴。

  物理地址即 MAC 地址，属于数据链路层。

• 集线器连接的设备仍属于同一个冲突域和广播域。