2.1 物理层通信基础
2.1 物理层通信基础
- 2.1.1 基本概念
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- 1.物理层基本概念
- 2.典型的数据通信模型
- 3.数据通信的相关术语
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- 数据通信模型中可看到的术语
- 三种通信方式：
- 两种信息传输方式：
- 码原，波特，速率，带宽（重点）
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- 1.码原：
- 2.速率：
- 3.带宽
- 2.1.2 奈式定理和香农准则
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- 奈氏准则
- 香农定理
- 什么时候用奈氏，什么时候用香浓定理
- 2.1.3 编码与调制
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- 1.基带信号宽带信号
- 2.编码与调制
- 3.数字数据==编码==为数字信号
- 4.数字信号==调制==为模拟信号
- 5.模拟数据==编码==为数字信号
- 6.模拟数据==调制==为模拟信号
- 2.1.5 电路交换，报文交换和分组交换
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- 电路交换
- 报文交换
- 分组交换
- 总之
- 2.1.5 数据报和虚电路
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- 虚电路
- 数据报
- 总体研究的内容：
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- 物理层需要解决的问题
- 物理层的主要任务
2.1.1 基本概念
1.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
物理层定义了一些传输媒体接口的标准：
1.机械特性
接口形状，引线数目，引脚数量等
2.电气特性
电线路上信号的电压范围
3.功能特性
电线上某一电平表示何种意义
4.规程特性
各个功能的先后顺序规程和时序关系
2.典型的数据通信模型
3.数据通信的相关术语
数据通信模型中可看到的术语
数据：传送消息的实体
信号：数据在传输过程中的存在形式
分为数字信号（离散的，只有0，1两种）和模拟信号（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
三种通信方式：
- 单工通信：只有单向的通道，即只能是a发送b接收，b不能发送，有1条信道
- 半双工通信：通信双方只能a发送b接收，或者b发送a接收，不能同时发送信息，有2条信道
- 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，有2条信道
两种信息传输方式：
串行传输：速度慢，费用低，适合远距离
并行传输：速度快，费用高，适合近距离传输
码原，波特，速率，带宽（重点）
1.码原：
固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位k进制的数字，例如对于4进制的码原，有00，01，10，11四种状态，而1码原可以携带两位比特位，即1码原可以携带多个比特的信息量，而在2进制编码时，只有两种不同的码原，分别为0和1
2.速率：
也称为数据率，即数据的传输速率（这里注意区分传输速率和传播速率，传输速率是指从主机到链路上传输的速度，而传播速率是在整个链路上的传播速度，就是电磁波或者光波的传播速率）
1）码原传输速率：单位时间信号波形的变化速率，单位是波特(Baud) ，1Baud=1码原/s
2）信息传输速率：单位时间数字通信系统传输的比特数（二进制的码原个数），单位是b/s
关系：若1个码原携带2比特的信息量（即4进制码原），则MBaud的码原传输速率对应的信息传输速率为：M*2b/s。
3.带宽
单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高传输率”，常用来表示网络的通信线路所能达到的上限。
带宽与信息传输速率的联系：带宽是理想状态下的信息传输速率
HZ也可以表示带宽的大小，例如，60hz代表每秒震动60次，也就是每秒要传输60个比特的信息
2.1.2 奈式定理和香农准则
失真：指信号在传输过程中与原有信号或标准相比发生了偏差
失真现象举例，以及失真的影响因素
两个概念：
1.信道带宽：信道通过的最高频率和最低频率之差
2.码间串扰：发送端振动太快，使得接受端收到的信号波形失去了码原之间清晰的界限的现象（如下图4000HZ的情况）
因为码间串扰的问题，就产生了奈氏准则
奈氏准则
在理想低通的环境下（无噪声，带宽受限），为了避免码间串扰，极限码原传播速率为2W Baud，W为信道带宽，单位是Hz
这里对低通的解释是只要信号频率低于最高频率就可以通过
考试时会出现一个叫极限数据率的东西：
注意！：奈氏准则给出了码原传输速率的限制，但是却没有对信息传输速率给出限制
所以，要提高数据传输率，就要选择k进制（k尽可能大）的码原。
例题：
香农定理
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：（公式右边是10*log(S/N))
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
1.只要信息的传输速率低于信道的极限数据传输速率，就一定能找到某种方法实现无差错传输
2.香农定理得出的为极限信息传输速率，实际上要比这个速率低不少
什么时候用奈氏，什么时候用香浓定理
奈氏准则（内忧）
带宽受限，无噪声的条件下，为了避免码间串扰，码原传输速率的上限是2W Baud
理想低通条件下的极限数据传输率为2WlogV（以2为底）
要想提高数据率，就要提高带宽或者采用更好的编码技术
香农定理（外患）
带宽受限有噪声的环境下的信息传输率
信道的极限数据传输率=Wlog（1+S/N) (以2为底）
要想提高数据率，就要提高带宽或者信噪比
2.1.3 编码与调制
1.基带信号宽带信号
将数字信号中的1和0用不同的电压表示，放到数字信道上传输（基带传输）
将基带信号调制后的信号，传到模拟信道上去传输（宽带传输）
总之，
数字信号->基带传输
模拟信号->宽带传输
2.编码与调制
数据 -> 数字信号 编码
数据 -> 模拟信号 调制
3.数字数据编码为数字信号
（1）非归零编码
（2）曼彻斯特编码：将一个码原分成两个相等的间隔，前高后低为0，前低后高为1，由于每个码原被调成两个电平，所以调制速率（波特，由于一个码原中有两次跳变）是数据传输速率的2倍
（3）差分曼彻斯特编码
4.数字信号调制为模拟信号
答案：4800b/s
5.模拟数据编码为数字信号
PCM脉码调制：
量化的过程：
由于所有的模拟信号都是正弦波的形式，由于正弦波的公式：
f(x)=Asin(wx+Ф)中，w由频率f确定，所以只需要图像中的两个点，就可以得到A和Ф，所以在一个周期内要采样两次，所以f采样频率>=2f信号最高频率
6.模拟数据调制为模拟信号
模拟 -> 模拟
2.1.5 电路交换，报文交换和分组交换
电路交换
优点：实时性强，有序传输，通信时延小，适用范围广
缺点：建立连接时间长，线路利用率低
必须先建立一条物理连接，例如打电话的双方，要预先建立一根电话线，由两人独享，A打电话，B可以立刻相应到，A的消息也会准确，有序的传到B的耳朵里，但是不打电话时，电话线也不能被别人占有
报文交换
优点：动态分配线路，无须提前建立连接，提供多目标服务
缺点：没有电路交换可靠，且报文大小无限制，需要网络节点有很大的缓存空间
例如送信，两人无需先建立一个连接，A把信给邮差，再由邮差将信给B，优点是无须提前建立连接，缺点是时延高，实时性差
分组交换
（现在的internet网络通用分组交换）基于报文交换，将报文划分为更小的数据单位：报文分组（也称为段、包、分组），分组交换仍采用存储转发传输方式，但将一个长报文先分割为若干个较短的分组，然后把这些分组（携带源、目的地址和编号信息）逐个地发送出去。
优点：无须建立连接，线路利用率高，减少出错概率和重发数据量
缺点：存在传输时延，需要传输额外的信息量
总之
若要传送的数据量很大，且其传送时间远大于呼叫时间，则采用电路交换较为合适；当端到端的通路有很多段的链路组成时，采用分组交换传送数据较为合适。
2.1.5 数据报和虚电路
虚电路
虚电路服务提供的是有连接的，需要先提前建立连接通道的可靠服务
虚电路服务建立连接的过程：
建立连接后，通信双方只能走这条连接好的路径
数据报
数据报服务提供的是无连接的，不需提前建立连接的不可靠服务
数据报服务示意图：
而现在TCP/IP模型中，网络层提供的服务是（不可靠的），（无连接）的（数据报）服务 （尽最大努力交付的）
总体研究的内容：
物理层需要解决的问题
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比特流
物理层为数据链路层 屏蔽了各种传输媒体的差异
物理层的主要任务
- 机械特性：指明接口所用的接线器的尺寸，大小，例如数据终端设备DTE
- 电器特性：接口电线上的电压范围，简单的说，在传输介质上面，二进制位是如何被表示的（电压表示，还是其它什么表示）
- 功能特性：电线上的电压代表的意义
- 过程特性：各种功能可能的出现顺序