1.6 物理层

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前言

在探索更高效的通信方式时，理解物理层的基本概念以及数据通信的原理至关重要。本文详细讲解了物理层的基本概念、数据通信的基础知识以及信道的极限容量。

1 物理层的基本概念

1.1 定义

在现代网络通信中，物理层作为最底层的协议架构，起着至关重要的作用。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。

1.2 作用

尽可能屏蔽不同媒体和通信手段之间的差异，从而实现无缝的数据传输。

1.3 物理层的主要任务

物理层的主要任务可归结为确定与传输媒体接口的四个基本特性：

• 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。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
• 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 数据通信的基础知识

2.1 常用术语

• 消息：可以是任何形式的内容，如语音、文字、图像、视频等。
• 数据： 传递消息的具体实体，通常是有意义的符号序列。
• 信号：数据的电气的或电磁的表现。
• 码元：数字信号中携带信息的最小单位。每个码元可以代表一个特定的状态或值。
• 信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

2.2 信号

根据信号的性质，可以分为模拟信号和数字信号：
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。

2.3 码元

①基本单位
码元是数字信号中携带信息的最小单位。每个码元可以代表一个特定的状态或值。

②编码
在数字通信中，码元通常用二进制数字表示。
例如，单个比特（0或1）可以被视为一个码元。多个比特可以组合成一个码元，以表示更复杂的信息。再例如，一个包含4个比特的码元可以表示16种不同的状态（0000到1111）。

③调制方式
在模拟通信中，码元可以对应于信号的不同特征，如频率、幅度或相位。
例如，调频（FM）和调幅（AM）信号中，不同的频率或幅度变化可以代表不同的码元。

④信息量
每个码元可以携带的信息量取决于其编码方式。使用 ( n ) 个比特的码元可以携带 ( 2^n ) 种不同的信息。

【示例】
如果一个码元（即一个信号）可能有4种状态，那么可以称其为4进制码元（一个码元携带2bit数据）；类似地，如果一码元（即一个信号）可能有8种状态，那么可以称其为8进制码元(一个码元携带3bit数据）

2.4 信道

①信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
②单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信，没有反方向的交互。
③双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但双方不能同时发送（也不能同时接收）。
④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 数据通信系统模型

数据通信是指在不同地点之间传输数据的过程。一个典型的数据通信系统包括发送方、接收方、信道和协议。

3 信道的极限容量

3.1 基本术语

①信道的极限容量：指在给定的信道条件下，能够以无误差方式传输的信息最大速率。这个概念最早由克劳德·香农提出，并用香农定理来描述。

②码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。
任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。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。

限制码元在信道上的传输速率的两个因素为信道能够通过的频率范围以及信噪比。

3.2 信道能够通过的频率范围

信道的带宽指的是信道能够传输的频率范围。信道带宽越大，传输数据的能力越强。

带宽是影响极限容量的重要因素。增加带宽可以直接提高信道的容量，前提是信道的信噪比保持不变。具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道。

奈氏准则：激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。

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的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

3.3 信噪比

信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位。

【示例】
当 S/N =10 时，信噪比为10dB，而当 S/N =1000 时，信噪比为30dB。

香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

【两大公式辨析】