计算机网络-物理层-2

文章目录

• 计算机网络
• 2.1
• 物理层基本概念
• 数据通信基本知识
• 码元、波特、速率、带宽
• 奈氏准则和香农定理
• 奈氏准则（奈奎斯特定理）
• 香农定理
• 对比
• 编码与调制
• 数字数据编码为数字信号
• 数字数据调制为模拟信号
• 模拟数据编码为数字信号
• 模拟数据调制为模拟信号
• 2.2
• 物理层传输介质
• 2.3
• 物理层设备
• 中继器：
• 集线器（多口中继器）

计算机网络

2.1

物理层基本概念

定义： 物理层解决如何连接各种计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是指具体的传输媒体。

• 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性---->定义标准
• 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
• 电器特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。
• 规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序的关系。

数据通信基本知识

• 通信的目的时传送信息

基本概念：

• 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列
• 信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式
  • 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。
  • 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
• 信源：产生和发送数据的源头
• 信宿：接收数据的终点
• 信道：信号传输的媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路通常包括一条发送信道和一条接收信道。
  • 按传输信号分类：模拟信道，数字信道
  • 按传输介质分类：无线信道，有线信道

三种通信方式：

• 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的额交互，j仅需要一条信道
• 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息， 当任何一方都不能同时发送和接受，需要两条信道
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道

两种数据传输方式：

• 串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
• 并行传输：速度快费用高，适合近距离

码元、波特、速率、带宽

1. 码元：

• 指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形
• 是数字通信中信号的计量单位
• 时长内的信号称为K进制码元，该时长称为码元宽度
• 当码元的离散状态有 M 个时码元为 M 进制码元
• 一个码元可以携带多个比特的信息量

2. 速率：

• 也叫数据率：指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量，可以用 码元传输速率 和 信息传输速率 表示。
  

带宽： 表示单位时间内从网络的某一点到另一点所能通过的 “最高数据率” 常用来表示网络通信线路所能传输数据的能力。单位：b/s

奈氏准则和香农定理

• 现实中的信道存在带宽受限、有噪声、干扰
• 影响失真程度的因素：码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量
• 信道带宽：是信道能通过的最高频率和最低频率之差
• 码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则（奈奎斯特定理）

• 在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W Baud
• W是信道带宽，单位是Hz
• 理想低通信道下的极限数据传输率 = 2 * W * log2^V （b/s）：V是几种码元/码元的离散电平数，W ：带宽（Hz）

结论：

• 在任何信道中，码元传输速率是有上限的。
• 信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以使用更高的速率进行码元的有效传输。
• 奈氏准则给出了码元传输速率限制，但并没有对信息传输速率给出限制。

香农定理

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，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。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此信噪比很重要

信噪比： = 信号的平均功率/噪声的平均功率，S/N，用分贝做度量单位

香农定理： 在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的传输速率有上限值，

结论：

• 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
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错传输
• 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它底不少
• 若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限，那么极限信息传输速率也没有上限

对比

编码与调制

数字数据编码为数字信号

编码方式：

1. 非归零编码【NRZ】：高 1 低 0

• 编码容易实现，但没有检错功能
• 无法判断一个码元的开始和结束
• 收发双方难以保持同步

2. 归零编码【RZ】：信号在每一个码元之内都要恢复到 0

3. 反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

4. 曼切斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示1，相反表示0。

• 每一个码元中间出现电平跳变，中间的跳变作为时钟信号（可用于同步）
• 但是占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍
• 一个码元被调成两个电平，所以数据传输速率只有调整速率的1/2

5. 差分曼切斯特编码：同1异0

• 常用于局域网
• 若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。
• 每个码元中间有电平跳转（可以自动同步）
• 抗干扰性强于曼切斯特编码

6. 4B/5B编码：比特流中插入额外的比特来打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个数据，再传给接收方

• 编码效率为80%
• 采用16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留。

数字数据调制为模拟信号

• 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应调制解调器的调制和解调过程。

调制分类：

模拟数据编码为数字信号

• 音频数字化：将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列
• （PCM）：对音频进行编码的脉码调制，能达到最高保真水平：
  • 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
    • 采样频率>=两倍信号最高频率
  • 量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的风机标度转化为对应的数值，并取整数
  • 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号种传输的。

2.2

物理层传输介质

传输介质也成传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备的物理通路。

传输介质分类：

1. 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播

• 双绞线：
  

• 同轴电缆：
  

• 光纤：（光脉冲）
  
  
  光纤的优点：

• 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

• 抗雷电和电磁干扰性能好

• 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

• 体积小，重量轻

2. 非导向型传输介质：自由空间，介质可以是空气，真空，海水

• 无线电波：信号向所有方向传播
  • 较强穿透能力，可远距离传播，广泛应用于通信领域
• 微波：信号固定方向传播
  • 通信频率较高、频段范围宽。因此数据率很高
  • 地面微波接力通信、卫星通信
  • 卫星通信的优点：通信容量大，距离远，覆盖广，广播通信和多址通信
  • 卫星通信的缺点：时延长，受气候影响大，误码率高，成本高。
• 红外线、激光：信号固定方向传播
  • 要把传输的信号转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。

2.3

物理层设备

中继器：

集线器（多口中继器）