2.1 物理层概念

主要定义物理设备标准，如网线的接口类型、光纤的接口类型、各种传输介质的传输速率等。它的主要作用是传输比特流（就是由 1、0 转化为电流强弱来进行传输,到达目的地后在转化为1、0，也就是我们常说的模数转换与数模转换）这一层的数据叫做比特。

2.2 物理层接口特性

物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性

1. 机械特性 指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
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。
3. 功能特性 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
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。

2.3 数据通信基础知识

1. 数据：是指传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

2. 信号：数据的电器或是电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

3. 码元：是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制数字，表示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。

4. 速率：也称数据率，指的是数据传输速率；可用码元传输速率和信息传输速率表示。

5. 带宽：
   模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率
   成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的
   通频带宽，其单位为赫兹(Hz)。
   数字设备中：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高
   数据率”/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数
   据的能力。 单位是比特每秒(bps)。
   
   

• 码元传输速率。又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但是码元速率与进制数无关。
• 信息传输速率。又称信息速率、比特率等，他表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特每秒（b/s）。

2.4 三种通信方式

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。
2. 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
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。

2.5 两种传输方式

并行和串行都是通讯中数据传输的方式，二者有着本质的不同。

• 并行通讯：同一时刻，可以传输多个bit位的信号，有多少个信号位就需要多少根信号线。
• 串行通讯：同一时刻，只能传输一个bit位的信号，只需要一根信号线。

2.6 奈氏准则和香农定理

奈奎斯特定理

1924 年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏定理。它规定：在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W 波特， W 为理想低通信道中的带宽。若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要4个二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的4倍），则极限传输数据率为

对于奈氏准则，可以得出以下结论：

在任何信道中，码元传输速率是有上限的。若超过此上限，就会产生严重的码间串扰。
信道的频带越宽，就可以用更高速率进行码元传输。
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并未对信息传输速率给出限制，即未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制。
由于码元传输速率受到奈氏准则的制约，要提高数据传输速率，就必须设法使每个码元携带更多比特的信息，此时就必须采用多元制的调制方法。

香农定理

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。用此速率进行传输时，可以做到不产生误差。香农定理定义为

W 为信道的带宽，S 为信道传输信道的平均功率，N 为信道内部的高斯噪声功率，S/N 为信噪比–信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比–单位为db分贝；例如当S/N =10时，信噪比为10db。而当S/N=1000时，信噪比为30db。

对于香农定理，可以得出以下结论：

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。
• 只要信道数据传输速率小于极限数据传输速率，总能找到方法提高速率。
• 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际传输速率要比它低不少。
• 奈氏准则只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，而香农定理不仅考虑了带宽还考虑到了信噪比；从另一个侧面表示，一个码元对应的二进制位数是有限的。

2.6.1 失真

2.7 编码与调制

2.7.1 数字数据编码为数字信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的数字调制方法有：
辐移键控（ASK）—调幅：通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，载波的频率和相位都不改变。容易实现但抗干扰能力弱。
频移键控（FSK）—调频：通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用广泛。
相移键控（PSK）—调相：通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，载波的振幅和频率都不改变。
正交振幅调制（QAM）—调相调幅：在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合，形成叠加信号，设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则QAM技术的数据传输速率单位为b/s。

1、归零编码
归零编码的规则就是当被编码的数据为1时 ，电平由高电平跳转为低电平。当被编码的数据为0时，电平则不跳转，这就是归零编码的编码规则。
2、非归零编码
非归零编码的规则最简单易懂，其编码规则就是利用高电平来代替1，利用低电平来代替0，只有遇到前后数据不同时才发生电平的跳转。
3、反向非归零编码
反向非归零码(NRZD与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。翻转的信号本身可以作为一种通知机制。
4、曼彻斯特编码
曼彻斯特编码的规则就是利用电平的下降（电平是由高电平降为低电平）来代表1,利用电平的上升（电平由低电平转为搞电平）来代表0。
5、差分的曼彻斯特编码
差分的曼彻斯特编码的编码规则为：若码元为1，则前半个码元电平与上一个码元的后半个电平相同，若码元为0则恰好相反。

2.7.2 数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的数字调制方法有：
辐移键控（ASK）—调幅：通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，载波的频率和相位都不改变。容易实现但抗干扰能力弱。
频移键控（FSK）—调频：通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，载波的振幅和相位都不改变。容易实现，抗干扰能力强，目前应用广泛。
相移键控（PSK）—调相：通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，载波的振幅和频率都不改变。
正交振幅调制（QAM）—调相调幅：在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合，形成叠加信号，设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则QAM技术的数据传输速率单位为b/s。

2.7.3 模拟数据编码为数字信号

这种编码方式最典型的例子是常用于音频信号进行编码的脉码调制（PCM）。

它主要包括三个步骤：

1. 采样：是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，根据采样定理[采样定理又称奈奎斯特定理，将模拟信号转换成数字信号时,假设原始信号中的最大频率为f，那么采样频率必须大于等于最大频率f 的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留模拟信号的信息]，当采样的频率大于等于模拟数据的频带带宽（最高变化频率）的两倍时，所得的离散信号可以无失真的代表被采样的模拟数据。
2. 量化：是把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。
3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码；采样与量化的实质就是分割与转换。

2.7.4 模拟信号调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用FDM技术，充分利用带宽资源。

频分复用（FDM）：按频率划分的不同信道，用户分到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带，可见频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（带宽指频率带）。

标签：编码,码元,信号,电平,数字信号,---,传输速率,物理层
来源： https://blog.csdn.net/weixin_40491661/article/details/123096553