物理层相关

一、物理层基本概念

1.导引型媒体

1.双绞线

绞合的作用:抵御部分来自外界的电磁波干扰

减少相邻导线的电磁干扰

2.同轴电缆

由内到外:内导体-绝缘层-屏蔽层-绝缘保护套层

基带同轴电缆-50Ω,数字传输,过去用于局域网

宽带同轴电缆-75Ω,模拟传输,目前主要用于有线电视

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便,随着集线器的出现,在局域网领域基本上都 是采用双绞线作为传输媒体。

3.光纤

光纤的优点:
1.通信容量大(25000~30000GHz的带宽)传输损耗 
2.远距离传输时更加经济。
3.抗雷电和电磁干扰性能好。这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
4.无串音干扰,保密性好,不易被窃听。
5.体积小,重量轻。
​
光纤的缺点:
1.割接需要专用设备
2.光电接口价格较贵
    
多模光纤:    
由于色散(模式、材料、波导色散),光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真(脉冲展宽)
因此,多模光纤只适合近距离传输(建筑物内)
发送光源:发光二极管;接收检测:光电二极管   
    
单模光纤:
没有模式色散,在1.31微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反,两者正好抵消。
单模光纤适合长距离传输且衰减小,但其制造成本高,对光源要求高。
发送光源:激光发生器;接收检测:激光检波器    

4.电力线

2.非导引型传输媒体

1.微波通信

2.红外线

现在已经被淘汰了
1.点对点无线传输
2.直线传输,中间不能有障碍物,传输距离短
3.传输速率低(4Mb/s~16Mb/s)

3.可见光

4.无线电波

1.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

2.物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异,使数据链路层只需要考虑如何本层的协议和服务,而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

二、物理层协议的主要任务

1.机械特性

指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。

2.电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。

3.功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。

4.过程特性

指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

三、传输方式

1.传输方式有哪些

1.串行传输-远距离传输;比如计算机网络通信
    1比特1比特地按照时间顺序传输
2.并行传输-计算机内部数据传输
    若干比特通过多条通信信道同时传输
    
3.同步传输
    收发双方时钟同步的方法:
    外同步:在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
    内同步:发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输(例如曼彻斯特编码)
4.异步传输
    1.字节之间异步(字节之间的时间间隔不固定)
    2.字节中的每个比特仍然要同步(各比特的持续时间是相同的)
    
5.单向通信:单工           收音机
        仅需要一条信道,只有一个方向的通信而没有反方向的交互
6.双向交替通信:半双工      对讲机
        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信息,此        时需要两条信道
7.双向同时通信:全双工       打电话
        通信双方可以同时发送和接收信息,也需要两条信道

四、编码与调制

1.概念

1.消息:message
文字,图片,音频,视频   
    
2.数据:data
运送消息的实体
    
3.信号:signal
数据的电磁表现
    
4.基带信号
信号源发出的原始电信号
​
数字基带信号:
    编码-》数字信道:以太网-曼彻斯特编码
    调制-》模拟信道:WiFi
    
模拟基带信号:
    编码-》数字信道:对音频信号进行编码的脉码调制PCM
    调制-》模拟信道:语音数据加载到模拟的载波信号中传输。频分复用FDM技术,充分利用带宽资源。
    
1.码元
在使用时间域的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。 
    
信道按传输信号形式的不同,可分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道
    按传输介质的不同,可分为无线信道和有线信道    

2.常用编码

1.不归零编码:NRZ-存在同步问题
需要额外一根传输线来传输时钟信号,使发送方和接收方同步。
但是对于计算机网络,宁愿利用这根传输线传输数据信号,而不是传输时钟信号!
    
2.归零编码:RZ-自同步,编码效率低
每个码元传输结束后信号都要“归零”,所以接收方只要在信号归零后进行采样即可,不需要单独的时钟信号。
实际上,归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内,这称为“自同步”信号。
但是,归零编码中大部分的数据带宽,都用来传输“归零”而浪费掉了。
       
3.曼切斯特编码
码元中间时刻的跳变既表示时钟,又表示数据。
    
4.差分曼切斯特编码
跳变仅表示时钟,码元开始处电平是否发生变化表示数据。 
(比曼彻斯特编码变化少,更适合较高的传输速率)    

3.基本调制方法

对于数字基带信号
1.调幅-AM
2.调频-FM
3.调相-PM
使用基本调制方法,一个码元只能包含一个比特信息
    
因为频率和相位是相关的,即频率是相位随时间的变化率。所以一次只能调制频率和相位两个中的一个。    
   
混合调制       
通常情况下,相位和振幅可以结合起来一起调制,称为正交振幅调制QAM。    
    

五、信道的极限容量

1.概念

信道的极限容量是指信道的最高码元传输速率或信道的极限信息传输速率

通信质量较好的信道-失真不严重,可以识别

通信质量较差的信道-失真严重,无法识别

失真的因素:
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    

2.奈氏准则

//在假定的理想条件下,为了避免码间串扰,码元传输速率是有上限的。
1.理想低通信道的最高码元传输速率= 2W Baud = 2W码元/秒
2.理想带通信道的最高码元传输速率= W Baud = W码元/秒
w:信道带宽(单位为Hz)
Baud:波特,即码元/秒
数据传输速率=波特率(码元传输速率)X每个码元所携带的信息量  
    
3.码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系:
4.当1个码元只携带1比特的信息量时,则波特率(码元/秒)与比特率(比特/秒)在数值
上是相等的;
5.当1个码元携带n比特的信息量时,则波特率转换成比特率时,数值要乘以n。
6.要提高信息传输速率(比特率),就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。   
7.实际的信道所能传输的最高码元速率,要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。
    
问题:只要采用更好的调制方法,让码元可以携带更多的比特,岂不是可以无限制地提高信息的传输速率?
//答案是否定的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。    

3.香农公式

//带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。
C=W*log2(1+S/N)
C:信道的极限信息传输速率(单位: b/s)
W:信道带宽(单位:Hz)
S:信道内所传信号的平均功率
N:信道内的高斯噪声功率
S/N:信噪比,使用分贝(dB)作为度量单位
信噪比(dB) = 10 x log10(S/N) (dB)   
    
信道带宽或信道中信噪比越大,信息的极限传输速率越高。
在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。
这是因为在实际信道中,信号还要受到其他一些损伤,如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等,这些因素在香农公式中并未考虑。    

4.总结

1.在信道带宽一定的情况下,根据奈氏准则和香农公式,要想提高信息的传输速率就必须采用多元制(更好的调制方法)和努力提高信道中的信噪比。
    
2.自从香农公式发表后,各种新的信号处理和调制方法就不断出现,其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。
    
【2009年题34】在无噪声情况下,若某通信链路的带宽为3kHz,采用4个相位,每个相位具有4种振幅的QAM调制技术,则该通信链路的最大数据传输速率是 24kbps
 
答:
1.奈氏准则可知,该通信链路的最高码元传输速率= 2x 3k = 6k(Baud)= 6k(码元/秒)
2.采用4个相位,每个相位4种振幅的QAM调制技术,可以调制出4x 4=16个不同的基本波形(码元);采用二进制对这16个不同的码元进行编码,需要使用4个比特(log2(16) = 4)。换句话说,每个码元可以携带的信息量为4比特;  
3.综合(1)和(2)可知,该通信链路的最大数据传输速率=6k(码元/秒)x4(比特/码元)= 24k(比特/秒)=24 kbps

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