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物理层和传输介质

物理层与传输介质交互,将各网络构建在一起,那么物理上如何将数据从网络中的一个节点传送到下一个节点呢?

物理层的一个主要任务是为数据链路层提供服务。数据链路层中的数据由组成帧的 0 和 1 组成,这些帧准备从传输介质从一个节点传送到另一个节点。0 和 1 组成的数据流,首先要转换成另一种实体,即信号,信号元素承载数据单元。物理层提供的服务之一就是生成表示比特流的信号。数字到数字转换技术将数字数据转换为数字信号。基带传输就是通过通道发送数字信号。可傅里叶变换告诉我们,直流信号的带宽是无穷大的,而且一次谐波携带了大多数的能量,因此基带传输需要一个无穷大带宽(信号包含的频率范围)的低通通道。这种通道仅仅是理想的状况,近似的一个例子是 LAN——一种专用通道(介质的整个带宽用于一条单通道)。使用调制把数字信号转换成模拟信号,不仅搬移了频谱,而且允许我们使用带通通道,这种通道比低通通道更可用,这涉及到了数字到模拟的转换。对数字数据来说,数据不仅仅有数字数据,而且有模拟数据,这就涉及到模拟到数字转换技术,它将模拟数据转换为数字数据。调制也用于模拟信号,这一方面的例子就是无线电——政府为每一个无线电台分配基带带宽,每个电台生成的模拟信号都是低通通道,都在同一频率范围内;为了能够收听不同电台,需要将低通通道平移,使每一个信号对应不同的频率范围。

频率是人类最宝贵的资源。除了利用有限的频率更快地传输数据之外,数字通信的一个目标是使用较少的信号元素承载更多的数据元素,使用电话网进行数据传输就是这样的一个例子。同时,奈圭斯特比特率公式定义了理论上(无噪声通道)的最大比特率,香农容量定理则给出了噪声通道理论上的最高速度。

在数字传输中,考虑数据在设备之间的传输时,最关心的是线路,而在考虑线路时,最关心的就是数据流。一次发送一位,还是多位成组发送?如果成组发送,那么如何成组?通过链路传输二进制数据可以采用并行模式或者串行模式。在并行模式中,每个时钟脉冲发送多位。在串行模式中,每个时钟脉冲发送一位。并行传输只有一种模式,串行传输则分为三类:异步、同步和等时。

物理层还必须管理网络,即传输介质。传输介质是一种被动的实体,不像其他层具有内部程序和控制逻辑。传输介质由物理层控制。物理层确定数据的流向,也确定来自不同源端传输数据的逻辑通道数。实际生活中,链路都是有限带宽,合理运用带宽是电路通信亟待解决的问题。带宽的合理运用有两种类型:复用——目标是效率,将一些低通通道合并为一个通道;扩频——目标是保密、抗干扰,插入冗余扩展通道的带宽。

上面内容会涉及到下面几点内容:

  • 数据与信号
  • 数字传输
  • 模拟传输
  • 数据速率的限制
  • 传输模式
  • 带宽利用
  • 传输介质
  • 电话网与有线电视网