计算机网络（考研）第二章 物理层
文章目录
- 第二章 物理层
- 2.1.1 物理层基本概念
- 2.1.2 数据通信基础知识
- 2.1.3 码元、波特、速率、带宽
- 2.1.4 奈氏准则和香农定理
- 2.1.5 编码与调制
- 2.2 物理层传输介质
- 2.3 物理层设备
第二章 物理层
2.1.1 物理层基本概念
物理层主要任务：确定与传输媒体接口的一些特性（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、借口形状、引线数目、引脚数量和排列情况
- 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、传输速率和距离限制等
- 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：定义各条物理线路的工作规程和时序关系
2.1.2 数据通信基础知识
数据通信系统的组成部分
- 源点（信源）：产生数据，如从键盘输入，产生数字比特流。
- 发送器：对数字比特流进行编码，如调制器。
- 信道：是信号传输的通道，可能是一条简易的传输线路,也可能是一个复杂的网络。
- 接收器：设备的功能与发送设备相反，它从接收信号中恢复出原始信号。如解调器。
- 终点（信宿）：从接收器获取数字比特流，将复原的原始信号转换成相应的数据。
常用术语
- 数据(data)：运送信息的实体。
- 信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。
模拟 (analogous)信号：连续变化的。
数字 (digital)信号：取值是离散数值。 - 码元：固定时长的信号波形，是数字信号的计量单位。
- 调制：把数字信号转换为模拟信号的过程。
- 解调：把模拟信号转换为数字信号的过程。
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交互，仅需要一条信道（广播、电视）
- 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道（对讲机）
- 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道（电话、QQ）
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（用于计算机内部数据传输）
2.1.3 码元、波特、速率、带宽
码元：是指用一个固定时长的信号波形，代表不同离散数值的基本波形，是数字信号的计量单位，这个市场内的信号称为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，此时码元为M进制码元
exp：K进制码元——4进制码元->码元的离散状态有4个->4钟高低不同的信号波形 00、01、10、11
**速率：**也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。
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（信号变化次数），单位是波特（Baud）= 1码元/s。码元速率与进制数无关。
信息传输速率（信息速率、比特率）：1s传输多少个比特。
计算方法：码元传输速率*log2（进制数）
relation：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M*n bit/s
**带宽：**数据传输速率的理想值（最大值），单位是b/s。
2.1.4 奈氏准则和香农定理
失真：
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：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：**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=2Wlog2V（b/s）（v是码元的离散电平数目）
conclusion：
- 在任何信道中，码元的传输速率是有上限的。
- 信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输
- 奈氏准则并没有限制信息传输速率
- 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。
例题：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3KHz，采用4个相位，每个相位具有4钟振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是多少？
信号有4*4 = 16种变化，V = 16，最大数据传输率 = 2*3K*4 = 24Kb/s
香农定理：
信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即：信噪比（dB） = 10log10（S/N）
香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
信道的极限数据传输速率=Wlog2（1+信噪比）（b/s）
conclusion:
- 信道的带宽或信道中信噪比越大，则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，信息的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的传输。
- 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比他低不少
- 极限信息传输速率没有上限。
例题：电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统的最大数据传输速率是多少？
30dB = 1000S/N 3000*log2（1+1000） = 30kb/s
2.1.5 编码与调制
**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截止，因此亿条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道
传输信号
- 模拟信道（传送模拟信号）
- 数字信道（传送数字信号）
传输介质
- 无线信道
- 有限信道
信道上传送的信号
基带信号 将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，在送到数字信道上去传输（基带传输）
（来自信源的信号）
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，在传送到模拟信道上去传输（宽带传输）
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，信号内容不易发生变化）
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，及时信号变化大也能过滤出来基带信号）
编码与调制
数字数据编码为数字信号
几种编码方式：
非归零编码
高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无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
曼彻斯特编码
每个码元均用两个不同相位的电平信号表示，也就是一个周期的方波，但0码和1码的相位正好相反。由于曼彻斯特编码在每个时钟位都必须有一次变化，因此，其编码的效率仅可达到50%左右
差分曼彻斯特编码
差分曼彻斯特编码在 每个时钟周期的中间都有一次电平跳变，这个跳变做同步之用。 在每个时钟周期的起始处：跳变则说明该比特是0，不跳变则说明该比特是1。
差分曼彻斯特编码的优点为：收发双方可以根据编码自带的时钟信号来保持同步，无需专门传递同步信号的线路，因此成本低；缺点为：实现技术复杂。
归零编码
信号电平在一个码元之内都要恢复到0的编码方式
反向不归零编码
信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。（遇0跳变，遇1不变）
4B/5B编码
用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，编码效率为80%
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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。
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模拟数据编码为数字信号
计算机内部处理跌势二进制数据，处理的都是数字音频，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。
在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛应用于素材保存和音乐欣赏。
模拟信号数字化有三个基本过程:
第一个过程是“抽样”，就是以相等的间隔时间来抽取模拟信号的样值，使连续的信号变成离散的信号。
采样频率>=2信号最高频率
第二个过程叫“量化”，就是把抽取的样值变换为最接近的数字值，表示抽取样值的大小。
第三个过程是“编码”，就是把量化的数值用一组二进制的数码来表示。
经过这样三个过程可以完成模拟信号的数字化，这种方法叫作“脉冲编码”。数字信号传送到接收 端后，需要有一个还原的过程，即把收到的数字信号再变回模拟信号，为接收者所能理解。这个过程叫 作“数模变换”，使之再现为声音或图像。
模拟数据调制为模拟信号
采用频分复用技术，调高频率。
2.2 物理层传输介质
传输介质及分类：
传输介质也称媒体/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。
导向性传输介质 （电磁波被导向沿着固体媒介传播）
双绞线
由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
为提高抗电磁干扰能力，可以在双绞线外面再加上一个哟UI金属丝编织成的屏蔽层，被称为屏蔽双绞线。
同轴电缆
由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外壳构成。
光纤
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
特点：传输损耗小，中继距离长，抗雷电和电子干扰性能好，保密性好，体积小重量轻。
非导向性传输介质 （自由空间，介质可以是任何东西）
无线电波 较强穿透能力，可传远距离
（信号向所有方向传播）
微波 微波通信频率较高、频段范围宽，因此数据率很高。又分为地面微波接力通信和卫星通信
（信号固定方向传播）
红外线、激光（把要传输的信号转换成红外信号、激光信号）
（信号固定方向传播）
2.3 物理层设备
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。
两端：两端的网络部分是网段，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。
中继器两端的网段一定要是同一个协议。
集线器
集线器的主要功能是对接收到的信号进行再生整形放大，以扩大网络的传输距离，同时把所有节点集中在以它为中心的节点上。
构成。
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