计算机网络原理梳理丨物理层

目录

1. 数据通信基础
2. 物理介质
3. 信道与信道容量
4. 基带传输
5. 频带传输
6. 物理层接口规程

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数据通信基础

关键词概念解析

消息：人类能够感知的描述
信息：对事物的存在状态或存在方式的不确定性表述，可度量
通信：本质是在一点精确或近似地再生另一点的信息
通信系统：能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体
信号：通信系统中，在传输通道中传播的信息的载体
数据：对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记载的符号及其组合
信道：信道是以传输介质为基础的信号通道

数据通信系统模型

信源、发送设备、 信道、 接收设备、 信宿、 噪声源

数据通信系统模型

模拟通信：信号的因变量是连续的

数字通信：信号的因变量是离散的

数据通信方式

• 单向通讯（单工，如广播收音机）、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）
• 并行通信、串行通信
• 异步通信、同步通信

数据通信系统的功能

1. 信道利用
2. 接口及信号产生
3. 同步
4. 差错检测与纠正
5. 寻址与路由
6. 网络管理
7. 安全保障

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物理介质

导引型传输介质

指有物理线的线路

1. 架空明线：指平行且相互分离或绝缘的空裸线线路，通畅采用铜线或铝线等金属导线
2. 双绞线：两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起，减少相邻导线的电磁干扰
   2.1 屏蔽双绞线：STP，可减小电磁干扰
   2.2 非屏蔽双绞线：UTP，成本较低，比较常见

3. 同轴电缆：抗电磁干扰性能好，但传输率低，线体较粗，布线不太方便。如：有线电视线
4. 光纤：利用光的全反射原理，通信容量大、距离远、抗电磁干扰性能好、保密性好
   4.1 多模光纤：反射传输
   4.2 单模光线：直线传输，性能更好

非导引型传输介质

指无线传输

1. 地波传输：低频信号，沿地球表面传播
2. 天波传输：较高频信号，利用电离层的反射传播
3. 视线传输：高频信号，点对点直线传播，中继传输

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信道与信道容量

信道分类与模型

狭义信道：信号传输介质
广义信道：信号传输介质和通信系统的一些变换装置

1. 调制信道：信号从调制器的输出端到解调器的输入端经过的部分
2. 编码信道：数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分

信道传输特性

1. 恒参信道：各种有线信道和部分无线信道，传输特性变化小、缓慢，肉：微波视线传播链路和卫星链路等
2. 随参信道：传输特性随时间随机快速变化

信道容量

信道容量是指信道无差错传输信息的平均信息速率

1. 连续信道容量：
   1.1 理想无噪声信道的信道容量，奈奎斯特公式：

   
   
   
   
   

   1.2 有噪声连续信道容量，香农公式：

   
   
   

2. 离散信道容量：

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基带传输

模拟基带信号：模拟信源发出的原始电信号
数字基带信号：数字信源发出的基带信号（模拟基带信号可通过信源编码转换为数字基带信号）
基带传输：直接在信道中传送基带信号

数字基带传输编码

基带传输码型

1. AMI（信号交替反转码）
2. 双相码（曼彻斯特码，1-正到负，0-负到正）、差分双相码（1-起始跳变，0-起始无跳变，中间均要跳变）
3. 米勒码
4. CMI码
5. nBmB码
6. nBmT码

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频带传输

1. 数字调制：利用数字基带信号控制载波信号的某些特征参量，使载波信号的这些参量的变化反应数字基带信号的信息，进而将数字基带信号变换为数字通带信号的过程
2. 键控法：利用两种不同幅值、频率或相位分辨尔表示0或1

频带传输中的三种调制方式

1. 二进制数字调制：
   1.1 二进制幅移键控：载波信号幅值随基带信号变化
   
   
   
   1.2 二进制频移键控：随机带信号变化而选择不同频率载波信号
   
   
   1.3 二进制相移键控：载波信号相位随基带信号变化
   
   
   1.4 二进制差分相移键控：基带信号控制相邻码元载波相对相位是否变化，1-相对相位改变，0-相对相位不变
   
2. 多进制数字调制
3. 正交幅值调制：QAM

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物理层接口规程

物理层接口的四大特征：机械特性、电器特性、功能特性以及规程特性

物理层接口规范定义DTE（数据终端设备，如电脑或路由器等数据处理设备）和DCE（数据电路端接设备，如调制解调器等信号转换设备）的接口特性

机械特性：通信实体间硬件连接接口的机械特点
电器特性：在物理连接上，导线的电气连接及有关电路特征
功能特性：物理接口各条信号线的用途
规程特性：通信协议，指明利用接口传输比特流的全过程，以及各项用于传输事件发生的合法顺序

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