计算机网络第二章——物理层（上）

提示：男儿何不带吴钩，收取关山五十州

---

2.1.1 物理层基本概念

知识引导

奈氏准则和香农定理都是用来求信道极限的数据传输速率的，区别就是所处的背景环境不同，编码是把数据调成数字信号的过程，调制是将调成模拟信号的过程，因为根据信道的不同，信号形式应该也要有不同，需要在发送信息之前，先将数据调成信道上能传输的数据形式，再把它发送出去，打电话使用的是电路交换，而报文交换和分组交换在计算机网络中是比较常见的，导向型传输介质就是你能看得见摸得着的比如电缆，非导向型就是你看不见摸不着的wifi,本章我们学习的方式就是先学习上层基础，然后再来学下层建筑

物理层接口特征

要会区分电气特性还是功能特性，功能特性中可能不会出现数据，更多的时候是问你高电平的含义，意义等，当你在题目中出现规程时序等的时候就是规程特性

2.1.2 数据通信基础知识

数据data就是一系列的0 1的组合，计算机网卡所发出的这些数据在信号上或者说在电信号上的表现就叫做数据信号，调整解调器就是将数字信号调制成模拟信号，为什么要调整成模拟信号，因为在我们这下图例子中，数据是要经过公用电话网的，这是一个广域网，广域网中是有许多的模拟信道，这些模拟信道只能传模拟信号不能传数字信号，然后再经过调制解调器将模拟信号调成数字信号便可，将数字信号解释出文字就是物理层之上的功能，输入端也称信源，其中信源加发送器也就是源系统

数据通信相关术语

离散就是明显跳跃的一种信号的形式

数据通信系统要考虑的问题

三种通信方式

人与人之间交流的方式，1 听人家说， 2 我听你说你听我说，我们相互交替说，3 都说

这里需要注意半双工是需要两个信道的，信道是有方向的，既然两个都可以发，自然需要两个信道，

串行传输&并行传输

距离远的时候通常时串行传输，距离近的时候通常时并行传输

同步传输&异步传输

在发送端的时候就需要添加上这些同步字符，接收端接发现这些同步字符之后，就可以准备接受数据了，这就实现了发送方与接收方的同步，而异步传输的时候要实现同步，要加上字符起始位和字符终止位，异步传输同样需要实现同步是因为就像说话一样，说话人每说完一句话要停顿一下，听话的人根据停顿来判断下一句什么时候，这样才可以听懂别人说的每一句话，异步传输时发送端不是连续发送这些数据的，异步传输时发送端发送数据时也就是加上一个中止位和一个起始位，当起始位到达接收端的时候，接收端就知道了接下来可以接收了，接受完数据之后，就会收到一个终止位，然后就电平就一直保持在终止位电平，直到再一次接收到一个起始位的电平，电平的跳变就是告诉我开始接受下一个数据了，一个常见异步的例子就是键盘上敲击数字，不一定什么敲

脑图时刻

2.1.3 数据通信基础知识

码元

就是一个波形图中每一段称为一个码元，而码元的宽度就称为码元宽度，如下图中，这种一低一高两种波形也就是二进制码元，若是有四种高低不平的波形也就是四进制码元，不同进制的码元的区别是所携带的信息量是不同的，所以在二进制码元中，一个码元只代表一个bit的信息，而在四进制码元中，一个码元可以携带2bit信息，同样的16进制码元，也就可以携带4bit

系统数据传输速率的两种方式

码元的长度也就是上面所说的码元宽度，每一个码元所占的时间，二进制码元个数一个码元携带的是1bit的信息，四进制码元携带的就是2bit的信息，

带宽

带宽在不同的领域代表的是不同的意思，

2.1.4 奈氏准则和香农定理

失真

其实简单来说就是信号传输过程中有一些扭曲和变化，码元传输速率越快，失真也就越严重，距离越远衰减越严重，

码间串扰

假如说我们传输信号的时候是通过这个电话路网，电话线上使用的是模拟信号，将数字信号进行调制成模拟信号，在实际的传输中信道上布满了各种样频率的信号，HZ表示的是一秒可以震动的次数，HZ太低不能通过的原因是在复杂的电话线上传输的时候，非常容易受到衰减和损耗，可能最好就衰减的没有了，4000HZ不能通过主要就是因为码间串扰的问题，
信号震动的速率越快，码元的传输速率也是越快的，一种码元对应一种信号，信号变化的快，码元自然越快，码间串扰就是指码元的传输速率太快了，导致接收端码元的距离过近，不易区分码元之间的界限，分不清是零还是1，

奈氏准则

理想低通中的理想指的是信号传输过程中不会受到外界的影响，低通就是带宽受限，信道是有带宽的，带宽指的是最高频率减去最低频率的一个差，所有低于最高频率的信号都是可以通过的，之前说过带宽的单位是bit/s,但是注意在奈斯准则以及香农定理，带宽的单位都是HZ，同样的题目若是给你的单位是HZ,你也可以想到应该是用奈斯准则，或者香农定理来求，奈斯准则只是限制码元传输速率，但是香农定理才是真正限制信息传输速率的，这里的W指的是带宽。

香农定理

香农定理不仅定义了在信道中极限数据传输速率，而且考虑了现实中信道可能会受到噪音的干扰，信噪比用dB表示就是为了让我们看起来更加直观，数值上是等价的只不过表示方式不同，若是题目直接给的信噪比没有分贝，没有单位直接带入信道的极限数据传输速率即可，若是给的带单位且单位是dB，则通过上面的公式公式求出S/N的值，然后再带入信道的极限数据传输速率公式中

两个对比

若是题目中给了没有给信噪比的条件只能使用奈斯准则，若是给了信噪比则大概率使用香农定理，注意这里是二进制，若是4进制则需要乘2，在两个最大值中选择较小的才是实际上的最大速率

2.1.5 编码与调制

基带信号和宽带信号

主要记住基带传输对应的数字信道，宽带传输对应模拟信道，信源发送信号，这个信号对应的是什么波形是有规定的，这种规定的方式就是编码，而载波调制可以理解为整容，整容成频率更高信号，才能放在复杂的信道上面进行传输，这样最后也能解调出来正确的信号，

编码与调制

区分是编码还是调制主要是看最后转变的成的是数字信号还是模拟信号，强调编码与数字的一定对应的是数字信号，强调调制的一定是模拟信号，

2.1.6 编码与调制

数字数据编码为数字信号

计算机发送的都是0 1 01 的数字数据，为了使这些数据能够在信道上进行传播，就需要把这些数据编码成数字信号的形式，这个数字数据的编码其实就是用于基带传输中，基本不改变频率直接传播，这种编码方式有许多种，就是规定0 1 分别对应什么样的波形，

非归零编码

也就是高电平对应的是1 低电平对应的是0，若是发送方发送的是一连串的1 或者一连串的0 ，此时也就需要，接受方就不知道这个直线是有多少个1 或者多少个0，它就需要发送提供
时钟周期的时常，然后算出来发送了多少个1 或者多少个0，这就需要再创建一个信道，这个信道用来告诉接收方，多久发一个bit,来建立同步的过程

归零编码

一个码元之内要归零，这种就会有一种情况，处于低电平的情况比较多。这样可能会导致接收方不知道有多少个0，

反向不归零编码

若是发送的是1 则当前是不发生改变的，若发送的是0会发生跳转，若是全0 则会一直反转，接受方是比较好处理的，若是都是1因为一直不会发生跳变， 则接收端就不知道有多少个1，

曼彻斯特编码

可以把时钟信号以及数据都放在一起，不需要额外的信道来传输时钟信号，可以实现自同步，每发送一个bit 都会有一个跳变，接受方每一次都会接收这样一个跳变，就能实现同步，一个时钟周期信号变化了两次，一次是中间这一次，还有一次是每一个码元开始的时候
，从前面一个状态到目前这个状态，因此一个码元信号只传递了1 bit 但是信号改变了两次，

差分曼彻斯特编码

上一个码元的后半段与本码元的前半段若是发生跳变则表示本码元是0 若是码元发送跳变则是0，

4B/5B编码

数字数据调制为模拟信号

调幅就是零没有幅度，1 有幅度
调频就是零对应的是低频，1 对应的是高频
调相就是0 对应一种波形，1 对应一种波形

模拟数据编码为数字信号

PCM脉码调制

首先对于一个不规则的模拟信号先对他进行扫描，然后来抽样，每一个相等的周期，对信号进行采样一次，就是看这个时候所对应的电压是多少，将采集到的电压值取整，并且按照一定的范围进行划分为几种状态，再将这些状态转化成对应的二进制编码即可，这里来解释一下F(采样频率)>=2f(信号最高频率)，对于所有的模拟信号，都是由一系列的正弦波叠加而成的，所以就可以将模拟信号过滤出它所对应的几种正弦波，若是最高频的波形都能确定，自然其他的波形也就能确定，要确定一个正弦函数，频率是已知的，所以y=Asin(wt+u) 其中w已知，我们只需要再有两个点便可确定次函数，

模拟数据调制为模拟信号

脑图时刻