物理层

4B/5B 那一块全部要记忆一遍
baund rate 和 bit rate的区别

物理层是实际数据信号传输的层，我们需要传输的信息总是偏向自然语言的，但是物理层内部的数据信号已经被处理成了易于传播的形式

物理层实际管理了数据传输的介质，比如光纤，无线信号等等，同时它需要对链路层形成抽象，对链路层是不知道数据以什么介质传输的。物理层确定了传输媒体有关的特质，进行约定

机械特性电路接口形状，尺寸，引脚等等
电气特性电压范围，传输速率和距离限制
功能特性电压意义，每条线的功能
过程特性工作顺序和时序

数据是传输的信息，信号是数据传输过程中的形式

1. 一些概念的定义

一般在计网中 b 为 bit 而 B 为 byte

link 物理上的链路
channel 逻辑上的链路
data rate / bit rate 单位时间内传输的信息中的 bit 数量，特指有效bit，单位为 kb/s 每秒多少kb
symbol rate / baud rate 单位时间内传输的 symbol 数量，也就是可能发生的信号变化次数

1.1 带宽

谐波拟合方波，我们要传输的数据往往是二进制的，而二进制在波形上就表现为方波，同时我们可以用谐波去拟合一个方波，原理上就是做傅里叶展开。

基于上述知识，我们再来看一些概念

模拟带宽 / 截止频率 \(f_c\) (analog bandwidth) 这是物理介质的属性，当传输频率大于该物理介质 \(f_c\) 的信号时，会发生严重的衰减，因此需要控制信号的频率
\(0 \sim f_c\) 称为该介质的带宽

假设我们data rate是r，需要传输b bit的信号，那么周期就是 b / r 而频率就是 r / b。然后我们知道我们的介质有截止频率，当我们用N的谐波去拟合的时候，需要满足

\[ N*\frac{r}{b}\leq f_c \]

\[ N\leq \frac{b*f_c}r{} \]

因为信号量和截止频率都是固定的，因此我们可以知道N和r成反比，谐波的数量表示了信号的质量而date rate表示了信号的传输率。我们一般需要固定N以保证一定的传输质量，因此我们往往会发现 \(f_c\) 越高，data rate 就越高，在历史上我们也将 data rate 的最大值称为带宽

实际上，介质的带宽表述的是一个区间，并不一定是从0开始，对一个介质而言 \(0\sim B\ Hz\)的信号被称为基带信号 baseband signal 而 \(S\sim S+B \ Hz\)的型号称为 passband signal

1.2 码元

码元/符号 symbol

用一个数字脉冲表示的一个 k 进制的数字

在宏观层面上，一个数字脉冲就是表示 0 和 1，但是在实际传输和采样的时候，我们一个数字脉冲可能会被多位数字表示，例如我们可能表示为（低，中低，中高，高），就需要4进制，也就有0 1 2 3四种可能

symbol rate / baud rate

单位时间内传输 symbol 数量，也即单位时间内可能发生的信号变化次数

依旧以上述 4 进制码元为例，4进制码元需要2bit的数据来描述，若 64 kb/s 的 data rate，symbol rate 就是 32 kbaud

Nyquist's theorem

也称为采样定理，在理想低通的信道（无噪声，带宽有限）中，极限码元的传输速率是两倍带宽，超过两倍带宽的采样也无法获取更多信息。

也就是说最大的 symbol rate 是 2W，最大的data rate 就是 \(2W*\log_2(V)\) 其中V就是码元的V进制，一个log就将进制转换成bit数量

Shannon's theorem

在受到高斯白噪声干扰的低通信通道中，用W表示信道的带宽，S表示信号平均功率，N表示高斯噪声功率，则最大的 data rate 为 \(W\log_2(1+S/N)\)

SNR

信噪比就是上述公式中的 S / N 单位为dB，例如 30 dB 表示的 \(10^3\)，如果给的是SNR的话，要注意单位 dB 需要做进一步转换

上述两个定理都是限制极限数据率，有噪声有两个限制，取最小，无噪声只有第一个限制

有如下例题

2. 信息交互方式

单工链路 simplex link 只有1条信道，固定单向通信
半双工链路 half-deplex link 有2条信道，可以双向通信但是不能同时
全双工链路 full-duplex link 有2条信道，可以同时收发

需要注意的是，2 channels 并不意味着需要两个物理链路，一个链路可以通过一些复用方式实现双向传输

3. 传输介质 / 传输媒体

似乎不太会考

Transmission media：数据传输系统中发送和接受设备之间的物理通路

有两种分类

导向传输介质 Guided transmission media

磁介质
双绞线 twisted pair
绞合的目的是减少相邻导线的电磁干扰
在其外加一层金属丝编织的屏蔽层，可以进一步提高抗电磁干扰能力，称为屏蔽双绞线 STP Shielded Twisted Pair
反之称为非屏蔽双绞线 UTP Unshielded Twisted Pair
同轴电缆 coaxial cable
光纤 fiber optics

非导向传输介质 Wireless transmission

其实就是无线传输

无线电波 Radio
有较强的穿透能力，不需要对准某个方向，例如无线手机通信 WLAN（wireless local area network）
有很强的方向性，直线传播，例如微波，红外线，激光

4. 数字调制

数字调制 digital modulation 是指数据和代表它们的信号之间的转换过程

4.1 基带传输 baseband transmission

其本质是对比特流的编码，其实和调制不算关系密切。

其直接将数据转换成数字信号，本身发送 0 1 方波是不可行的，其展开后频率为无限大，基带传输的选择是将无法发送的那部分直接使其失真。

其用于有线介质（光纤不是基带传输）

编码形式

Non-Return to Zero （NRZ）直接将Bit Stream转换成高低电频

Manchester（以太网使用的）将要发送的Bit Stream和时钟频率（一个周期内先低后高）做异或。解决了一个问题就是接受和发送方采样频率不一致的问题，比如我们连发了 10 个高电频，如何看出这是几个高电频
传输1的时候下降传输0的时候上升
但是其缺点在于降低了编码效率，降低了一半的有效发送

NRZ invert （NRZI）（USB2.0 使用），相当于解决一半问题，其编码原则是，1的时候转变高低电频，0的时候不变，那么1的发送可以解决，而连续的0的发送依旧无法解决
但是解决了overhead过高的问题
实际上的NRZI完成了一个 4B / 5B 的映射，使得通过这个表编码，最多连续出现 3 个 0 ，增加了 25 % 的开销