计网复习总结2——物理层

物理层基本概念

物理层考虑的是如何才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。

物理层的作用是尽可能屏蔽掉底层硬件与传输媒体的差异。

物理层的主要任务为确定与传输媒体接口有关的一些特性。

机械特性：指明接口所用接线器的形状与尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等等。

电气特性：指明在接口电缆各条线上出现的电压范围。

功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的排序。

数据在计算机中多采用并行传输。

数据在通信线路一般采用串行传输（逐比特按照时间顺序传输）。

数据通讯的基础知识

数据通信系统模型：

源系统  ——>   传输系统  ——> 目的系统

源点—>发送器—>传输系统—>接收器—>终点

源点：源点设备产生要传输的数据（如PC机输出数字比特流）。

发送器：通常源点产生的数字比特流需要经过发送器编码后才能在传输系统中传输（调制解调器将数字信号转化为模拟信号）

接收器：接收传输系统传输的信号，并转化为接收端能够处理的信息。（调制解调器将模拟信号转化为数字信号）。

终点：终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流，将信息输出。（PC机接收信息并处理）

 

消息、数据、信号的关系：消息是如图像、文字、语音之类，数据是运输消息的实体，信号是数据的电磁特性或电磁的表现。

模拟信号：连续信号，代表消息的参数取值是连续的。

数字信号：离散信号，代表消息的参数取值是离散的。

码元：在时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数据的波形的是码元。

 

信道相关概念

信道：一般表示向某一个方向传递信息的媒体。一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

单向通信：单工通信，只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信：半双工通信，通信双方都可以发送或接收信息，但不能双方同时发送或接收信息。

双向同时通信：全双工通信，通信双方可同时发送或接收信息。

基带信号：来自信源的信号（未经任何处理的信号）。这种信号往往包含较多的低频成分。

基带调制：仅对基带信号波形进行变换，使之与信道特性相适应。

带通调制：把基带信号的频率搬迁至较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制的信号成为带通信号。

带通调制的方法：

调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。

调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。

调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

 

信道的极限容量

关于信号失真：

任何实际信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真，而数字通信的优点是：在接收端只要能够从失真的波形识别出原来的信号，那么这种失真对通信质量就没有影响。

码元的传输速率越高，或传输距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体的质量越差，在接收端的波形失真就越严重。

码间串扰：信号中高频分量在传输过程中受到衰减，导致每一个码元所占的时间界限不再明确，使得接收端码元失去了清晰界限的现象。

奈氏准则：每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒2个码元。

在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰。如果信道频带越宽，即能够通过的信号高频分量越多，那么就可以采用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

信噪比：信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记作S/N，以分贝作为度量单位。

信噪比 = 10log₁₀（S/N）

香农公式：信道的极限传输速率C = W log₂（S/N）（b/s）

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。只要信息的传输速率低于信道的极限速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错传输。

信道的复用技术

频分复用FDM：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

时分复用TDM：将时间划分为一段段等长的时分复用帧TDM，每一个时分复用用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。时分复用更有利于数字信号的传输。由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。

统计时分复（异步时分复用）用STDM能够明显提升信道的利用率。STDM帧不是固定分配的时隙，而是按照需求动态分配时隙。