计算机网络课程笔记(四)——物理层

物理层基本概念

物理层考虑的是怎样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传输媒体和通信手段的差异,使数据链路层感觉是透明的

数据在通信线路的传输方式都是串行传输

数据通信系统

数据通信系统可划分为源系统(发送端、发送方)传输系统(传输网络)目的系统(接收端、接收方)

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源系统分为两部分:源点发送器
目的系统分为两部分:接收器终点
传输系统可以是:

  • 简单的传输线
  • 复杂网格系统

通信的目的是传送消息,数据是运送消息的实体。信号是数据电气或电磁表现。

信号可以分为两大类:

  • 模拟信号(连续信号):代表消息的参数的取值是连续的
  • 数字信号(离散信号):代表消息的参数的取值是离散的。

信道相关概念

信道是指向某一方向传送信息的媒体

通信双方的交互方式有三种:

  • 单向通信、单工通信
  • 双向交替通信、半双工通信
  • 双向同时通信、全双工通信

基带信号:来自信源的信号

基带信号含有大量低频分量,因此需要对其进行调制,调制分为两类:

  • 基带调制/编码:仅仅对基带信号的波形进行变换
  • 带通调制:使用载波进行调制,将基带信号频率搬移到较高的频段。
    经过载波调制的信号被称为带通信号。

常用编码方式:

  • 不归零制:正负电平
  • 归零制:正负脉冲
  • 曼彻斯特编码:每一位中心上跳表示0,下跳表示1
  • 差分曼彻斯特编码:每一位中心处跳变,1在边界不跳变,0在单位边界跳变。

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基本的带通调制方法:

  • 调幅(AM):载波振幅随基带数字信号变化
  • 调频(FM):载波频率随基带数字信号变化
  • 调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号变化

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信道极限容量

影响波形失真的因素:

  • 码元传输的速率
  • 信号传输距离
  • 噪声干扰
  • 传输媒体质量

奈氏准则:
在带宽为W(Hz)的低通信道中,若不考虑噪声影响,则码元传输的最高速率是2W(码元/秒)。传输速率超过此上限,就会出现严重的码串干扰问题,使接收端对码元的识别成为不可能。

信噪比
信 噪 比 ( d B ) = 10 l o g 10 ( S / N ) ( d B ) 信噪比(dB) = 10log_{10}(S/N)(dB) (dB)=10log10(S/N)(dB)
S表示信号的平均功率,N表示噪声的平均功率。

香农公式指出信道的极限信息传输速率

C = W l o g 2 ( 1 + S / N ) ( b i t / s ) C = Wlog_2(1+S/N) (bit/s) C=Wlog2(1+S/N)(bit/s)

在信噪比确定,码元传输速率达到上限,需要通过让每个码元携带更多比特的信息,提高传输速率

奈氏准则的意义:工程人员必须找到更先进的编码技术,使每个码元携带更多信息。
香农公式的意义:有噪声信道上,无论采用多么复杂的技术,也不能突破信息传输速率的极限。

传输媒体

传输媒体是指数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。分为两大类:

  • 导引型传输媒体
  • 非导引型传输媒体

导引型传输媒体

  1. 双绞线
  2. 同轴电缆
  3. 光缆

双绞线

将两根互相绝缘的铜导线并排放在一起,然后用规则的方法绞合起来,构成双绞线。

双绞线目标:提高抗电磁干扰能力,减少电缆内不同双绞线的串扰。
发展方向:增加双绞线绞合度或者增加电磁屏蔽

具体分为:

  • 无屏蔽双绞线 UTP
  • 屏蔽双绞线 STP

同轴电缆

同轴电缆由内导体铜质芯线(单股实心线、多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及绝缘保护套层组成。

光缆

利用光导纤维传递光脉冲信号进行通信,分为:

  • 多模光纤
  • 单模光纤

信道复用技术

频分复用FDM:各路信号在同样的时间占用不同的带宽资源

时分复用TDM: 在不同的时间占用不同的频带宽度

波分复用WDM:光的频分复用

码分复用CDM:码分复用信道为多个不同地址的用户共享,称为码分多址。每个用户在同样时间使用同一个频带。各个用户使用经过特殊挑选的不同码型,因此各用户之间不会造成干扰

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