物理層的基本概念
物理層就是要解決在各種傳輸媒體上傳輸比特 0 和 1 的問題，進而給數據鏈路層提供透明傳輸比特流的服務。
傳輸媒體
- 導引型傳輸媒體
如：雙絞線、同軸電纜、光纖 - 非引導型傳輸媒體
微波通信（2 ~ 40 GHz），如 WiFi
物理層協議的主要任務
- 機械特性：指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定的裝置。
- 電氣特性：指明在接口電纜的各條線上出現的電壓的范圍。
- 功能特性：指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義。
- 過程特性：指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序。
物理層考慮的是怎樣才能在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流。
物理層為數據鏈路層屏蔽了各種傳輸媒體的差異，使數據鏈路層只需要考慮如何完成本層的協議和服務，而不必考慮網絡具體的傳輸媒體是什么。
傳輸方式
- 串行傳輸：數據是一個比特一個比特依次發送的
- 並行傳輸：一次發送 n 個比特
- 同步傳輸：數據塊以穩定的比特流的形式傳輸，字節之間沒有間隔（一個接着一個）
- 異步傳輸：指字節之間同步（字節之間的時間間隔不固定），字節的每個比特仍然要同步（各比特的持續時間是相同的）
- 單向通信（單工）
如：無線電、廣播 - 雙向交替通信（半雙工）：可以相互傳輸數據，但不能同時進行
如：對講機 - 雙向同時通信（全雙工）：通信雙方可以同時接收和發送消息
如：電話
編碼與調制
消息（message）：用戶的文字、圖片、音頻、視頻等
數據（data）：運送消息的實體，在計算機中采用二進制數據
信號（sign）：計算機中的網卡將數據中的比特 0 和比特 1 變換成相應的電信號發送到網線，即信號是數據的電磁表現。
基帶信號：信源發出的原始電信號
- 數字基帶信號：如計算機內部 CPU 與內存之間傳輸的信號。
- 模擬基帶信號：如麥克風收到聲音后產生的音頻信號。
信號需要在信道中進行傳輸，信道分為數字信道和模擬信道。
編碼：在不改變信號性質的前提下，僅對數字基帶信號的波形進行變換，稱為編碼。編碼后產生的信號仍為數字信號，可以在數字信道中傳輸。
如：以太網使用曼徹斯特編碼、4B/5B、8B/10B 等編碼。
調制：把數字基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段，並轉換為模擬信號，稱為調制。調制后產生的信號是模擬信號，可以在模擬信道中傳輸。
如：WiFi 使用補碼鍵控（CCK）、直接序列擴頻（DSSS）、正交頻分復用（OFDM）等調制方法。
對於模擬基帶信號也有編碼和調制兩種方式處理，知識點不重要。
碼元：在使用時間域的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。（碼元就是構成信號的一段波形）。
常用編碼
不歸零編碼
在整個碼元時間內，電平不會出現零電平。
正電平表示比特 1，負電平表示比特 0。
需要額外一根傳輸線來傳輸時鍾信號，使發送方和接收方同步。然而對於計算機網絡，寧願利用這跟傳輸線傳輸數字信號，而不是傳輸時鍾信號！故計算機網絡中的數據傳輸不采用不歸零編碼。
歸零編碼
每個碼元傳輸結束后信號都要“歸零”，所以接收方只要在信號歸零后進行采樣即可，不需要單獨的時鍾信號。
實際上，歸零編碼相當於把時鍾信號用“歸零”方式編碼在了數據之內，這稱為“自同步”信號。
但是，歸零編碼中大部分數據帶寬都用來傳輸“歸零”而浪費掉了。即編碼效率低。
曼徹斯特編碼
碼元中間時刻的跳變既表示時鍾，又表示數據。
未規定電平升高或降低與比特的對應關系。
差分曼徹斯特編碼
跳變只表示時鍾；碼元開始處電平是否發生變化表示數據。
比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率。
基本調制方法
調幅（AM）
無載波輸出表示比特 0，有載波輸出表示比特 1。
調頻（FM）
調相（PM）
初相位 0 度的波形表示比特 0，初相位 180 度的波形表示比特 1。
使用基本調制方法，1 個碼元只能包含 1 個比特信息。故使用混合調制。
信道的極限容量
信號失真因素：
- 碼元傳輸速率
- 信號傳輸距離
- 噪聲干擾
- 傳輸媒體質量
奈氏准則：在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元傳輸速率是有上限的。
理想低通信道的最高碼元傳輸速率 = 2W Baud = 2W （單位：碼元/秒）
理想帶通信道的最高碼元傳輸速率 = W Baud = W （單位：碼元/秒）
碼元傳輸速率又稱為波特率、調制速率、波形速率或符號速率。它與比特率有一定關系：
- 當 1 個碼元只攜帶 1 比特的信息量時，則波特率（碼元/秒）與比特率（比特/秒）在數值上是相等的。
- 當 1 個碼元攜帶 n 比特的信息量時，則波特率轉換成比特率時，數值要乘以 n。
要提高信息傳輸速率（比特率），就必須設法使每一個碼元能攜帶更多個比特的信息量，這需要采用多元制。（既然碼元傳輸速率有限，那就想辦法提高每個碼元攜帶的比特）
香農公式：帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限信息傳輸速率。
\[c = W \times log_2(1 + \frac{S}{N})\\單位：bit/s \]c：信道的極限信息傳輸速率（單位：b/s）
W：信道帶寬（單位：Hz）
S：信道內所傳信號的平均頻率
N：信道內的高斯噪聲功率
S/N：信噪比，使用分貝（dB）作為度量單位
\(信噪比（dB）= 10 \times log_{10}(\frac{S}{N}) \ \ \ \ (dB)\)
通過香農公式可知：信道帶寬或信道中信噪比越大，信息的極限傳輸速率越高。
結論：在信道帶寬一定的情況下，根據奈氏准則和香農公式，要想提高信息的傳輸速率就必須采用多元制（更好的調制方法）和努力提高信道中的信噪比。