小黎学完第一章啦
继续向第二章前进（嘿哈嘿哈
物理层的基本概念
物理层就是要解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。（透明是指数据链路层看不见也无需看见物理层究竟使用的是什么方法来传输比特0和1的，它只管享受物理层提供的服务即可）
物理层协议的主要任务
- 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。
- 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表示何种意义。
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
基本概念
- 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。
- 物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。
物理层下面的传输媒体
（传输媒体不属于计算机网络结构的任何一层
传输媒体分类
- 导引型传输媒体（电磁波被导引沿着固体媒体传播）：双绞线、同轴电缆、光纤、电力线
- 非导引型传输媒体（自由空间）：无线电波、微波、红外线、可见光
（没太听进去，主要讲硬件部分，想看详细的可以看老师的原视频
传输方式
串行传输和并行传输
在远距离传输（如计算机网络）中数据采用串行传输，计算机内部的传输常采用并行传输，例如CPU与内存之间通过总线进行传输，常见的总线宽度有8位、16位、32位和64位。
串行传输
数据是一个比特一个比特一次发送的，因此在发送端和接收端之间，只需要一条数据传输线路即可
并行传输
一次发送n个比特而不是一个比特，因此在发送端和接收端之间需要有n条传输线路。并行传输速度是串行传输的n倍，但成本高。
同步传输和异步传输
同步传输
数据块以比特流的形式传输，字节之间没有间隔，接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1。
由于不同设备的时钟频率不可能完全相同，在传输大量数据的过程中，所产生的判别时刻的累计误差会导致接收端对比特信号判别错位，因此需要收发双方时钟同步。
收发双方时钟同步的方法
- 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
- 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输（例如曼切斯特编码）
异步传输
以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不固定。接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。
异步指字节之间异步，即字节之间的时间间隔不固定。字节中的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间相同。
单向通信（单工）、双向交替通信（半双工）、双向同时通信（全双工）
单向通信
通信双方只有一个数据传输方向，只需要一条信道
半双工通信
通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。需要两条信道，每个方向各一条
全双工通信
通信双方可以同时发送和接受信息。需要两条信道，每个方向各一条。
编码与调制
编码：在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换。编码后产生的信号为数字信号，可以在数字信道中传输。
调制：把数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号。调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。
码元
在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。简单来说，码元就是构成信号的一段波形。
常用编码
- 不归零编码：在整个码元时间内不会出现零电平。
（接收方判断码元数目需要额外一根传输线来传输时钟信号，使发送方和接收方同步，接收方按照时钟信号的节拍来逐个接受码元。然而对于计算机网络宁愿利用这根传输线来传输数据信号而不是时钟信号。所以由于这种同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码。 - 归零编码：每个码元传输结束后信号都要归零。
所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为自同步信号。但归零编码中大部分的数据带宽都用来传输归零而浪费掉了。 - 曼彻斯特编码：在每个码元的中间时刻信号都会发生跳变。
中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。 - 差分曼切斯特编码：在每个码元的中间时刻信号都会发生跳变
跳变仅表示时钟，码元开始处电平是否发生变化表示数据
基本调制方法
- 调幅（AM）：无载波输出表示比特0，有载波输出表示比特1
- 调频（FM）：频率f1的波形表示比特0，频率f2的波形表示比特1
- 调相（PM）：初相位0度的波形表示比特0，初相位180度表示比特1
混合调制举例：正交振幅调制QAM
很明显，使用基本调制方法1个码元只能包含1个比特信息，为了使一个码元包含更多信息可以采用混合调制的方法。
因为频率和相位是相关的，即频率是相位关于时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。通常情况下相位和振幅可以结合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM
QAM-16
所调制出的波形可以有12种相位，每种相位有1或2种振幅可选，可调制出16种码元（波形），每种码元可以表示4个比特（log2(16)=4）。
每个码元表示的比特不可随便定义，应采用格雷码，使任意两个相邻码元只有一个比特位不同，可以减少传输失真导致的错位数目。例如下图原本都是表示比特0，由于传输过程中导致失真，并未都落在在星座图的理想位置。
信道的极限容量
奈氏准则
在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。
- 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/s
- 理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W 码元/s
- 实际信道所能传输的码元速率要明显低于奈氏准则给出的上限值
码元传输速率（波特率、调制速率、波形速率、符号速率）与比特率有一定关系：
- 当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/s）与比特率（比特/s）在数值上相等；
- 当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率（码元/s）转换成比特率（比特/s）数值要乘以n。
要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量，这需要多元制。
香农公式
带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
- 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高
- 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少，因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。