物理层的基本概念
物理层是计算机网络OSI模型中最低的一层，它规定了为传输数据所需要的物理链路的创建、维持、拆除，以及提供具有机械的、电子的、功能的和规范的特性。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，而不是具体的传输媒体。物理层的主要任务是为数据传输提供可靠的环境，它为设备之间的数据通信提供传输媒体及互连设备，确保原始的数据可在各种物理媒体上传输。物理层的基本概念包括物理层的作用、物理层的主要任务、数据在传输媒体上的传输方式等。用于物理层的协议也常称为物理层规程（procedure），其实物理层规程就是物理层协议。
数据在计算机内部多采用并行传输方式。但数据在通信线路（传输媒体）上的传输方式一般式串行传输，即逐个比特按照时间顺序传输，因此物理层还要完成传输方式的转换。
✨补充
并行传输是指一次发送n nn个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有n nn条传输线路。并行传输的优点是可以提高传输速度，但是需要更多的传输线路和更复杂的硬件。并行传输常用于计算机内部的数据传输，而串行传输则常用于远距离传输。
👻数据通信基础知识
🚢数据通信系统的模型
下面我们用两台计算机通过普通电话线的连接，在经过公用电话网进行通信来模拟一个数据通信系统的模型。
一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或发送端，发送方）、传输系统（或传输网络）和目的系统（或接收端、接收方）
源系统一般包括两部分：
源点（source）：源点设备产生要传输的数据，源点又称为源站或信源。
发送器：通常源点产生的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输，典型的发送器就是调制器。
目的系统一般包括两部分：
接收器：接收传输系统发送过来的信号，并把它转换成能够被目的设备处理的信息，典型的接收器就是解调器。
终点（destination）：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。终点又称为目的站或信宿。
在源系统和目的系统之间的传输系统可以是简单的传输线，也可以是连接在源系统和目的系统之间的复杂网络系统。
通信的目的是传递信息，它可以是实时的或非实时的，可以是语音、文本、图像、视频等不同类型的信息。数据是运送消息的实体。信号则是数据的电气或电磁的表现。
根据信号中代表信息的参数的取值方式不同，信号可分为以下两大类：
模拟信号，或连续信号：模拟信号是指信号的参数随时间连续变化的信号，模拟信号可以表示连续变化的物理量，如声音、图像等。模拟信号的参数可以是连续的，也可以是离散的，但是它们的取值是连续的。模拟信号的特点是可以表示连续变化的物理量，但是它们的传输和处理比较复杂，容易受到噪声的干扰。
数字信号，或离散信号：数字信号是指信号的参数是离散的、可用有限位的二进制数表示的信号。数字信号可以表示离散的物理量，如计算机中的数据、图像、声音等。数字信号的特点是传输和处理比较简单，不容易受到噪声的干扰，但是它们不能表示连续变化的物理量。
🚢信道的基本概念
信道是指用于传输信号的通道，它可以是物理的、电磁的、光学的或其他形式的通道。信道可以是有线的，也可以是无线的。信道的基本特性包括带宽、衰减、噪声、干扰等。带宽是指信道能够传输的最大信息量，它是信道的重要特性之一。衰减是指信号在信道中传输时的能量损失，它会影响信号的传输质量。噪声是指信道中的干扰信号，它会影响信号的传输质量。干扰是指信道中的其他信号对信号传输的影响，它会影响信号的传输质量。
从通信的双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式：
单向通信：又称为单工通信，是指从一个设备向另一个设备发送信息，而接收方不能发送信息的通信方式。单向通信通常用于广播、电视、收音机等媒体传输，也可以用于网络通信中的服务器向客户端发送信息。单向通信的优点是简单易用，传输效率高，但是缺点是不能实现双向通信，不能实现实时交互。
双向交替通信：又称为半双工通信，双向交替通信是指双方可以相互发送信息，但是每次只能有一个设备发送信息，另一个设备接收信息。双向交替通信通常用于电话通信、视频会议等场景，也可以用于网络通信中的客户端和服务器之间的通信。双向交替通信的优点是可以实现双向通信，可以实现实时交互，但是缺点是传输效率相对较低。
双向同时通信：又称为全双工通信，双向同时通信是指双方可以同时发送和接收信息的通信方式。双向同时通信通常用于局域网、广域网等网络通信中，也可以用于蓝牙、Wi-Fi等无线通信中。双向同时通信的优点是传输效率高，可以实现实时交互，但是缺点是需要较高的带宽和较复杂的硬件设备。
来自信源的信号常称为基带信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号，基带信号往往包含较多的低频分量，甚至有直流分量，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量，为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制（modulation）。调制是指将基带信号转换为射频信号的过程。在调制过程中，基带信号被转换为高频信号，以便在无线电波中传输。调制的目的是将基带信号转换为射频信号，以便在无线电波中传输。
调制可分为两大类。一类是仅仅对基带信号的波形进行交换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这类调制称为基带调制。由于这种基带调制是把数字信号转换为另一种形式的数字信号，因此大家更愿意把这种过程称为编码（coding）。另一类调制则需要使用载波（carrier） 进行调制，把基带信号的频率范围搬到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输，经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道），而使用载波的调制称为带通调制。
📖常用的编码方式
不归零制：正电平代表1，负电平代表0，不归零制编码是效率最高的编码，但是它难以界定一个数据位的结束和另一个数据位的开始，需要有某种机制保证发送器和接收器之间的定时或同步。
归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0，归零制编码是效率最低的编码，但是它容易界定一个数据位的结束和另一个数据位的开始，不需要有某种机制保证发送器和接收器之间的定时或同步。
曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变带代表0，位周期中心的向下跳变代表1，曼彻斯特编码的特点是每个码元中间都有一次电压跳变，这样可以保证发送器和接收器之间的定时或同步，但是它的效率比较低。曼彻斯特编码常用于同步传输系统中。
差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变，位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1，差分曼彻斯特编码的特点是每个码元中间都有一次电压跳变，但是跳变的方向不同，这样可以保证发送器和接收器之间的定时或同步，同时也可以检测出传输过程中的误码。差分曼彻斯特编码常用于同步传输系统中。
从信号波形中可以看出，曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高，从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫做没有自同步能力），而曼彻斯特编码具有自同步能力。
📖基本的带通调制方法
基本的带通调制方法有调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）三种。
调幅（AM），即载波的振幅随基带数字信号而变化。调幅的优点是简单易用，传输效率高，但是缺点是抗干扰能力差，频谱利用率低。
调频（FM），即载波的频率随基带数字信号而变化。调频的优点是抗干扰能力强，频谱利用率高，但是缺点是传输效率低，设备复杂度高。
调相（PM），即载波的初始相位随基带数字信号而变化。调相的优点是抗干扰能力强，频谱利用率高，但是缺点是传输效率低，设备复杂度高。
为了达到更高的信息传输速率，必须采技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法，例如，正交振幅调制QAM（Quadrature Amplitude Modulation）
✨补充
正交振幅调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM） 是一种数字信号的调制方式，它将基带信号的幅度和相位同时变化，以便将基带信号转换为带通信号。QAM的优点是抗干扰能力强，频谱利用率高，但是缺点是设备复杂度高。
QAM的基本原理是将基带信号分成两个正交的信号，分别进行振幅调制，然后将两个信号合并，形成带通信号。QAM的优点是可以将基带信号转换为带通信号，以便在频带内传输，同时也可以将基带信号的幅度和相位同时变化，以便提高传输效率和抗干扰能力。
QAM的缺点是设备复杂度高，需要较高的信号处理能力。此外，QAM的传输效率也受到带宽和信噪比的限制，因此在实际应用中需要根据具体情况选择合适的QAM调制方式。
🚢信道的极限容量
信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率。它受到信道带宽、信号功率、噪声功率等因素的影响。在实际应用中，由于信道的失真和干扰，实际的信道容量往往低于理想信道容量。数字通信的优点就在于：虽然信号在信道上传输时会不可避免地产生失真，但在接收端只要我们从失真的波形中能够识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就可以视为无影响。码元传输的速率越高、信号传输的距离越远、噪声干扰越大或传输媒体质量越差，在接收端的波形的失真就越严重。
