计算机网络第二章 物理层

2.1.1 物理层基本概念

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物理层基本概念

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。
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
特性:
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、传输速率和距离限制等。
3.功能特性:指明某条线上出现的某一电平的表示何种意义,接口部件的信号线用途。
4.规程特性:(过程特性)定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2.1.2 数据通信的基础知识

典型的数据通信模型

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数据通信的相关术语

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:接受数据的终点。
信道:信号的传输媒介。一般用来表示向某个方向传送信息的截止,因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道。
信道的分类:
在这里插入图片描述

三种通信方式

从通信双方的信息的交互方式看,可以有3种基本方式。

  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,但任何一方都不能同时发送和接收,需要两条信道。
  3. 全双工通信:通信双方可以同时发送和接收数据,也需要两条信道。

两种数据传输方式

  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。

2.1.3 码元、波特、速率、带宽

码元

码元是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毕本波形,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),此时码元为M进制码元¿。
1码元可以携带多个比特的信息量。比如在使用二进制编码时,只有两种不同的码元,一种代表0状态,一种代表1状态。

速率、波特、带宽

速率也叫数据率,也指数据的传输速率,表示单位时间内的传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
1 码元传输速率:别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等,它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也称为脉冲个数或信号变化的次数),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。码元速率与进制数无关。
2 信息传输速率:别名信息速率、比特率等,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),单位是比特/秒。(个人理解:十六进制即4位二进制)。1s传输多少比特。
两者的关系: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:表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”,常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s。
练习题:计算机网络第二章 物理层_第3张图片

2.1.4 奈氏准则与香农定理

失真

失真不一定无法识别,失真有大小,如果太大才会无法识别。
影响失真程度的因素: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 其中除4以外都是正相关。

码间串扰

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:接收端接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
主要侧重::奈氏准则:限制码元传输速率;香农定理:限制数据传输速率(比特率)。
如果偏要求极限数据率呢?
理想低通信道下的极限数据传输率= 2 W l o g 2 V 2Wlog_2V 2Wlog2V(b/s)。其中V代表几种码元/码元的离散电平数目,也就是V进制。
也就是说 奈氏准则并没有对V进行任何限制。
几个特性:
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小小练习题:计算机网络第二章 物理层_第5张图片

香农定理

信噪比

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率,常计为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位,即信噪比(dB)= 10 l o g 10 ( S / N ) 10log_{10}(S/N) 10log10(S/N),数值等价。

香农定理

信道的极限数据传输速率= W l o g 2 ( 1 + S / N ) Wlog_2(1+S/N) Wlog2(1+S/N)
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小小练习题:
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总结一下

如果两者都能算,那么两个都算出来取最小值,做实际中的最大值。
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2.1.5 编码与调制(1)

基带信号与宽带信号

两者都是信道上传送的信号类型。
基带信号:将数字信号1和0直接用2种不同的电压表示,再送到数字信道上去传输(基带传输)。可以是数字信号,也可以是模拟限号,关键在于是来自源,直接表达了要传输的信息的信号。
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,再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。

编码与调制

编码:将数据转化为数字信号。
调制:将数据转化为模拟信号。
数字数据与模拟数据的相互转化。4种方法,下节详解!
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2.1.6 编码与调制(2)

数字数据 编码为 数字信号

(1)非归零编码「NRZ」

直接高1低0,简单实现,无检错,无法判断码元起始,收发双方难以保持同步。

(4)归零编码「RZ」

信号电平在每一个码元内都要恢复到0。码元内是变的。

(5)反向不归零编码「NRZI」

电平翻转表示0,电平不变表示1。(看变化)全1就一直不变了。

(2)曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔,先高后低和先低后高分别表示两种状态。
一个时钟周期内有2个码元,但是只有1个比特,比如码元传输速率是40 Baud,那么数据传输速率是 20 bit/s

(3)差分曼彻斯特编码

同1异0,看相邻的码元的变化。
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(6)4B/5B编码

比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1,编码效率为80%。

数字数据 调制为 模拟信号

调幅 ASK
调频 FSK
调相 PSK
调幅+调相(QAM)

模拟数据 编码为 数字信号

计算机内部处理的是二进制数据,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(即实现音频数字化)。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM),在计算机应用中,能够达到最高保真水平的就是PCM编码,被广泛用于素材保存及音乐欣赏,CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。
它主要包括三步: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。为了无失真,与奥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} >= 2f_{信号最高频率} f>=2f。(个人理解,横坐标)(对于一个正弦波需要2个点才能确定波形)
  2. 量化:把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值,并取整数,这就把连续的电平幅值转化为离散的数字量。(个人理解,纵坐标)
  3. 编码:将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

基带信号=》宽带:更容易保持自身数据不被损坏

总结

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2.2 物理层传输介质

传输介质及分类

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,因为物理层是体系结构的第一层,因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号,但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性,因此能够识别所传送的比特流。
传输介质可以分为 导向性传输介质 + 非导向性传输介质。

导向性传输介质 1.双绞线

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导向性传输介质 2.同轴电缆

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导向性传输介质 3.光纤

传输的是光脉冲,上面两种是电脉冲。
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单模光纤与多模光纤
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光纤的特点:
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非导向性传输介质 - 无线电波,微波,红外线、激光

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2.3 物理层设备

中继器

主要功能:再生数字信号(模拟信号是用放大器)
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集线器(多口中继器)

功能:再生,放大信号
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2.4 总结与重点

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