物理层

文章目录

  • 物理层
    • 2.1.1 物理层基本概念
    • 2.1.2 数据通信基础知识
      • 1. 典型的数据通信模型
      • 2. 数据通信相关术语
      • 3. 三种通信方式
      • 4. 两种数据传输方式
    • 2.1.3 码元、波特、速率、带宽
      • 1. 码元
      • 2. 波特、速率、带宽
      • 3. 练习题
    • 2.1.4 奈氏准则和香农定理
      • 1. 失真
      • 2. 失真现象--码间串扰
      • 3. 奈氏准则
      • 4. 香农定理
      • 5. 奈氏准则和香农定理区别
    • 2.1.5 编码与调制
      • 1 基带信号与宽带信号
      • 2. 编码与调制
      • 3. 数字数据编码为数字信号
      • 4. 数字数据调制为模拟信号
      • 5. 模拟数据编码为数字信号
      • 6. 模拟数据调制为模拟信号
    • 2.1.6 物理层传输介质
      • 1. 传输介质及分类
        • 1. 双绞线
        • 2. 同轴电缆
        • 3. 光纤
        • 4. 非导向传输介质
    • 2.3 物理设备
      • 1. 中继器：
      • 2. 集线器(多口中继器)
      • 2. 集线器(多口中继器)

2.1.1 物理层基本概念

  1. 物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
  2. 主要任务： 确定与传输媒体接口有关的一些特性 --> 定义标准
    1. 机械特性： 定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的的规格、接口形状、引脚数目、引脚数量和排列情况
    2. 电气特性： 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、举例限制
      举例： 某网络在物理层的规定为，信号的电平用 +10V ~+15V 表示二进制0，用 -10V~-15V 表示二进制1，电线长度限制与15m 以内
    3. 功能特性： 某一条线路上出现某一电平表示的意义，接口部件的信号线的用途
    4. 规程特性： 定义各条物理线路的工作流程和时序关系

2.1.2 数据通信基础知识

1. 典型的数据通信模型

2. 数据通信相关术语

通信的目的是传送信息

  1. 数据： 传送信息的实体，通常时有意义的符号序列

  2. 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

  3. 信源： 产生和发送数据的源头

  4. 信宿： 接收数据的终点

  5. 信道： 信号的传输媒介，一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道

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    传输信号
    传输介质
    信道
    1. 模拟信道 -> 传送模拟信号 2. 数字信道 -> 传送数字信号
    无线信道 有线信道

3. 三种通信方式

  1. 单工通信： 只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道
  2. 半双工通信： 通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方不能同时发送和接收，需要两条信道
  3. 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

4. 两种数据传输方式

  1. 传输方式：

    1. 串行传输： 速度慢，费用低，适合远距离
    2. 并行传输：速度快，费用高，适合近距离， 常用于计算机内部数据传输

2.1.3 码元、波特、速率、带宽

1. 码元

  1. 定义： 是指用一个固定时长的信号波形，代表不同的离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为K 进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有 M 个时(M 大于2)此时码元称为 M 进制码元。
  2. 1 码元可以携带多个比特的信息量。例如在使用二进制编码的时候，只有两种不同的码元，一种表示 0 状态，另一种表示 1 状态
  3. 解释：

2. 波特、速率、带宽

  1. 速率： 是指数据的传输速率，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

    传输速率： 是指从发送端发出的时间

    • 码元传输速率： 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为 脉冲个数或信号变化次数），单位是波特(Baud)，1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。

    • 信息传输速率： 表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即： 比特数），单位 比特/s

    关系： 若一个码元携带 n 个比特信息， M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M*n bit/s

  2. 带宽： 定义不变

3. 练习题

2.1.4 奈氏准则和香农定理

1. 失真

  1. 就是我们所发送的信号，在实际传输中受到若干因素的影响，造成信号损坏
  2. 影响因素：
    1. 码元传输速率
    2. 信号传输距离
    3. 噪声干扰
    4. 传输媒体质量

2. 失真现象–码间串扰

  1. 信道带宽： 信道能通过的最高频率和最低频率之差
  2. 码间串扰： 接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰的界限的现象

3. 奈氏准则

  1. 定义： 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（只有在这两个公式中带宽采用 HZ）

  2. 极限数据率：
    理想低通信道下的极限传输数据率 = 2 W l o g 2 V （ b / s ） 理想低通信道下的极限传输数据率=2W log_{2}{V} （b/s） 理想低通信道下的极限传输数据率=2Wlog2​V（b/s）

    V 是指: 几种码元/码元的离散电平数目

  3. 结论：

    1. 在任何信道上，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能
    2. 信道的频道带宽（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
    3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但是并没有对信息传输速率给出限制
    4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要多元制的调制方法

4. 香农定理

  1. 信噪比： 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为 S/N，并使用 分贝(dB) 作为度量单位：
    信噪比 ( d B ) = 10 l o g 10 S N （数值等价 ) 信噪比(dB)=10 log_{10}{\frac{S}{N}} （数值等价) 信噪比(dB)=10log10​NS​（数值等价)

  2. 定义： 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：
    信道下的极限数据传输速率 = W l o g 2 ( 1 + S N ) （ b / s ） 信道下的极限数据传输速率=W log_{2}{(1+\frac{S}{N})} （b/s） 信道下的极限数据传输速率=Wlog2​(1+NS​)（b/s）

  3. 结论：

    1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
    2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息的传输速率的上限就确定了
    3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到方法实现无差错的传输
    4. 香农定理得出的为极限传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少
    5. 从香农定理看出，若信道带宽或信噪比没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率就没有上限

5. 奈氏准则和香农定理区别

奈氏准则（内忧） 香农定理（外患）
带宽受限无噪声的条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限为 2W Baud 带宽受限有噪声的条件下的信息传输速率
极限数据传输率公式参上 极限数据传输率参上
要提高数据率,就要提高带宽或采用更好的编码技术 要提高数据率,就要提高带宽或信噪比

2.1.5 编码与调制

1 基带信号与宽带信号

  1. 信道定义参上

  2. 信道上传的信号：

    1. 基带信号： 将数字 0 和 1 直接使用两种不同的电压表示，再送到数字信道上传输（基带传输）

      来及信源的信号，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，基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号

    2. 宽带信号： 将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）

      把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道上传输

  3. 使用：

    • 在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输模式，（近距离衰减小，信号不容易发送变化）
    • 传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输模式，（远距离衰减大，即使信号变化大也能过滤出来基带信号）

2. 编码与调制

  1. 定义：
    数据 ----> 数字信号 （编码）
    数据 -----> 模拟信号 （调制）
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数字发送器
调制器
PCM 编码器
放大器调制器
数字数据
数字信号 编码
模拟信号 调制
模拟信号
数字信号 编码
模拟信号 调制

3. 数字数据编码为数字信号

  1. 非归零编码 （NRZ）

    编码容易实现，但是没有检错功能没有办法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步，

  2. 曼彻奇特编码

    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码元1，反之为 0 。该编码的特点为在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变记作时钟信号(可用于同步)， 又叫做数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2

  3. 差分曼彻斯特编码

    同1异0

    常用于局域网传输，其规则是： 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。该编码的特点是： 在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码

  4. 归零编码 （RZ）

    信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码

  5. 反向不归零编码 （NRZI）

    信号电平翻转表示 0，信号电平不翻转表示 1

  6. 4B/5B 编码

4. 数字数据调制为模拟信号

  1. 定义： 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程

5. 模拟数据编码为数字信号

  1. 计算机内部处理的是二进制数据，处理的是数字音频，所以需要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（即实现音频数字化）
  2. 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是 PCM 编码。主要包括散步： 抽样、量化、编码
    1. 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，为了使得所得到的离散信号能无失真的代表被抽样的模拟信号，要使用采样定理进行采样 f ( 采样频率 ) ≥ 2 f ( 信号最高频率 ) f(采样频率)\geq2f(信号最高频率) f(采样频率)≥2f(信号最高频率)
    2. 量化： 把抽样所得到的的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量
    3. 编码： 把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

6. 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，充分利用带宽的资源，在电话机和本地交换机所传输的信号时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中传输的

2.1.6 物理层传输介质

1. 传输介质及分类

  1. 传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路

    传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是在体系结果的一层，因此有时称传输媒体为 0 层，在传输媒体中传输的信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定电气特性，因此能够识别所传颂的比特流

    简而言之就是在 OSI 模型中最下面的那条线路

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    数字数据
    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
    非导向性传输介质
    自由空间 介质可以是空气,真空,海水

1. 双绞线

  1. 介绍： 双绞线是古老、最常用的传输介质，是由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成，绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
  2. 屏蔽双绞线： 为了进一步提高抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一个有金属丝编织的屏蔽层，无屏蔽层的就是非屏蔽双绞线
  3. 双绞线的通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输,要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输,要使用中继器将失真的信号整形

2. 同轴电缆

  1. 介绍： 按照特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类： 50 Ω 同轴电缆和75 Ω 同轴电缆

    • 50 Ω 同轴电缆主要用于传送基带数字信号
    • 70 Ω 同轴电缆主要用于传送基带信号

  2. 同轴电缆 VS 双绞线

    由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线强，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格贵

3. 光纤

  1. 介绍： 光纤通信就是利用管道纤维传递光脉冲来进行通信，有光脉冲表示1，无光脉冲表示0，而可见光的频率大约是 1 0 8 M H Z 10^8MHZ 108MHZ,因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽

    光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下就能产生光脉冲，在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原电脉冲

  2. 光纤主要由 纤芯（实心）和包层构成，光波通过纤芯传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光纤从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角大于入射角，因此如果入射角足够大，就会出现全反射

  3. 分类：

    定义 光源 特点
    单模光纤 一种在横向模式直接传输光信号的光纤 定向性很好的激光二极管 衰耗小适合远距离传输
    单模光纤 有多种传输光信号模式的光纤 发光二极管 易是真适合远近/font>距离传输

  4. 特点：

    • 传送损耗小，中断距离长，对远距离传输特别经济
    • 抗雷电和电磁干扰性能号
    • 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

4. 非导向传输介质

2.3 物理设备

1. 中继器：

  1. 诞生原因： 由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误

  2. 中继器功能： 对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度

  3. 中继器的两端：

    • 两端的网络部分是网段，而不是子网适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要求相同，中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适合网段的数据。
    • 两端可连相同的媒体，也可连不同媒体
    • 中继器两端的网段一定要是同一个协议，(中继器不会存储转发)

  4. 5-4-3 规则： 网络标准中对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能咋规定的范围内进行，否则会网络故障：

2. 集线器(多口中继器)

  1. 功能： 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有 (除输入端口之外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备

    • 两端可连相同的媒体，也可连不同媒体
    • 中继器两端的网段一定要是同一个协议，(中继器不会存储转发)

  3. 5-4-3 规则： 网络标准中对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能咋规定的范围内进行，否则会网络故障：
    [外链图片转存中…(img-tCp6MexS-1658460941325)]

2. 集线器(多口中继器)

  1. 功能： 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有 (除输入端口之外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备
  2. [外链图片转存中…(img-4ry3XPX5-1658460941325)]

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