计算机网络--物理层

1、物理层基本概念

​  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），主要定义以下四个特性

• 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、接口形状、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：(过程特性) 定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2、数据通信的基础知识

2.1 典型数据通信模型

• 通信的目的：传送消息。
• 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:接收数据的终点。
• 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。

2.2 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。
• 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。
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

2.3 两种数据传输方式

• 串行传输
• 并行传输

2.4 码元、波特、速率、带宽

（1）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)，此时码元为M进制码元。1码元可以携带多个比特的信息量。

（2）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。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

• 码元传输速率:(1s传输多少个码元)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(也可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。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。
• 信息传输速率:(1s传输多少个比特)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(b/s) 。

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MXn bit/s。

（3）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。

2.5 奈式准则

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。V为码元的种类
$$极限码元传输速率=2WBaud$$

$$理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V(b/s)$$

要想提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术。

2.6 香农定理

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，单位
$$信道的极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)(b/s)$$
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:
$$信噪比(dB)=10log1o(S/N)$$
S是信道所传信号的平均功率，N是信道内的高斯噪声功率

要想提高数据率，就要提高带宽/信噪比。

2.7编码与调制

2.7.1 概述

（1）基带信号与宽带信号

• 基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)。
  • 来自信源的信号，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。
  • 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，从而信号内容不易发生变化)
• 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中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。
  • 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，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

（2）编码与调制概念

• 编码：数据---->数字信号
• 调制：数据---->模拟信号

数据类型	方式	转化为的信号类型
数字数据	数字发送器（编码）	数字信号
数字数据	调制器（调制）	模拟信号
模拟数据	PCM编码器（编码）	数字信号
模拟数据	放大器调制器（调制）	模拟信号

2.7.2 编码

（1）数字---->数字

• 非归零编码[NRZ]：高1低0
• 曼彻斯特编码：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;码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每-一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步)
• 差分曼彻斯特编码：（同1异0）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。
• 归零编码[ RZ]：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。
• 反向不归零编码[ NRZI ]：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
• 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，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。

（2）模拟---->数字

​   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。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。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样: 采样频率>2倍的信号最高频率
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。

2.7.3 调制

（1）数字---->模拟

​ 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。

（2）模拟---->模拟（不重要）

​   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，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是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。

3、物理层传输介质

 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。

• 导向传输介质
  • 双绞线：屏蔽双绞线、非屏蔽双绞线
  • 同轴电缆：基带同轴电缆、宽带同轴电缆
  • 光纤：多模光纤、单模光纤
• 非导向传输介质
  • 无线电波
  • 微波
  • 红外线、激光

4、物理层设备

• 中继器：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。
• 集线器：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，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。