物理层的基本概念
- 物理层考虑的是传输比特流，而不是指具体的传输媒体。
- 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异，提供一个黑箱。
- 用于物理层的协议常称为物理层的规程。
物理层的主要任务：
确定与传输媒体的接口的一些特性。
| 特性 | 任务 | 对应协议三要素 |
|---|---|---|
| 机械 | 接口的规格 | 无 |
| 电气 | 引脚的电压范围 | 语法 |
| 功能 | 引脚电压表现含义 | 语义 |
| 过程 | 可能时间出现的顺序 | 同步 |
信道的极限容量
信道能够通过的频率范围
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。
信道中许多高频成分往往不能通过信道。
奈氏准则给定了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
奈氏准则前提：无噪声，理想。
码元速率的极限值B与信道带宽W的关系。
理想状态下，最高码元传输速率为 2W Baud。
理想带通信道的最高码元传输速率为1W Baud。
Baud是码元传输速率的单位，换算关系为：
1 Baud = 1码元/秒。
公式为：$$C=2 \times W \times \log_2N$$
$C$ 是信道的极限信息传输速率，单位bps。
$N$ 是携带数据的码元，可能取的离散值个数。
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，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)称为了不可能。
信噪比
噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。
由于噪声是随机产生的，它的瞬时值有时会很大。
因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误(1判决为0或0判决为1)。
噪声的影响是相对的，如果信号相对较强，那么噪声的影响就相对较小。因此，信噪比很重要。
- 信噪比：就是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。
- *公式：信噪比(dB) = *$10 \times \log _{10}(S/N )$dB
- 例子：当S/N=10时，信噪比为10dB，而当S/N=1000时，信噪比为30dB。
- 香农公式指出了信息传输速率的上限。
公式： $C= W \times \log _{2}(1+S/N)$
注： $C$ 是信道的极限信息传输速率，单位bit/s。
$W$ 为信道带宽（Hz）。
$S$ 为信道内所传信号的平均功率。
$N$ 为信道内部的高斯噪声功率。
注：香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。
结论
数字信号通过实际信道，当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，或传输媒体直流越差，在接收端的波形的失真就越严重。
课后探究问题：
光纤能不能同时传输多路信号？
自由空间有很多电磁波，为什么能正常通信？
- 可以，并且发展出光复用技术，主要包括：
- 时分复用：就是循环节，循环节中特定的单元放特定连接的分组。但是在速率高的地方没法用。
- 空分复用：在某些地方，有现成的光纤通信网管道，并且还有空余的位置。所以为了增加容量，可以在管道中拉入更多光纤。
- 波分复用：一根光纤上承载多个波长（信道）系统，将一根光纤转换为多条＂虚拟＂纤，每条虚拟纤独立工作在不同波长上。[^1]
- 无线电是一种空间内自由传播的电磁波，无线电技术以导体中电流发生强弱变化时产生的无线电波作为载体，信息调制应用其中，承载着信息的电磁波在空间中进行传输，并到达无线电广播终端设备，电波在这时发生了磁场变化，由于导体中有电流,需要使用解调方式将数据信息提取出来。有干扰，但是规定信道必须有一定宽度的频率间隔，人们采取了很多方法，包括法律法规来规范无线电的使用，才使得干扰变少。
[^1]:光网络中三种复用技术