【计算机网络】2.1——物理层（编码波形、奈氏准则和香农公式计算）

物理层

基本概念

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

• 为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异

  • 数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么

物理层协议主要任务

• 机械特性

  • 指明接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置

• 电气特性

  • 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围

• 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

• 过程特性

  • 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

传输媒体（了解）

导引型传输媒体

• 电磁波被导引沿着固体媒介传播

  • 同轴电缆
  • 双绞线
  • 光纤
  • 电力线

非导引型传输媒体

• 自由空间中传播

  • 无线电波
  • 微波
  • 红外线
  • 可见光

传输方式

• 串行传输

  • 数据是一个接一个比特发送

    • 一条数据传输线路

      • 计算机网络

• 并行传输

  • 一次发送n个比特

    • 需要有n条传输线路

      • 成本高，计算机内部总线（32位64位）

• 同步传输

  • 数据块以稳定比特流形式传输，字节之间没有间隔

    • 时钟累计误差，需要保持收发双方时钟同步

      • 外同步

        • 添加一条单独的时钟信号线

      • 内同步

        • 将始终同步信号编码到数据中（例如曼彻斯特编码）

• 异步传输

  • 以字节为独立传输单位，字节之间的间隔不固定

    • 接收端仅在每个字节起始处对字节内的比特进行同步

      • 字节之间异步，之间中的比特仍然同步

    • 在每个字节前后加上起始位和结束位

• 单工（单向通信）

  • 例如无线电广播

  • 只需要一条信道

    • 信道是抽象概念，一条数据线频分复用可以有多个信道

• 半双工（双向交替通信）

  • 例如对讲机
  • 需要两条信道，每个方向各一条

• 全双工（双向同时通信）

  • 例如电话
  • 需要两条信道，每个方向各一条

常用术语

消息

• 需要计算机处理的文字、图片、音频、视频等统称为消息

数据

• 数据是运送消息的实体，计算机只能处理二进制数据

信号

• 信号是数据的电磁表现

• 基带信号

  • 来自信源的原始电信号称为基带信号

  • 数字基带信号

    • 例如在计算机内部，CPU和内存之间所传输的信号

  • 模拟基带信号

    • 例如麦克风采集到声音后所产生的音频信号

编码

• 将数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传输

  • 例如以太网使用曼彻斯特编码，4B、5B、8B

• 将模拟信号转换为数字信号，在数字信道中传输

  • 例如对音频信号进行编码的脉码调制PCM

调制

• 数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输

  • 例如WiFi，采用补码键控CCK/直接序列扩频DSSS/正交频分复用OFDOM等调制方式

• 将模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输

  • 例如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

• 基本调制（二元制）

• 混合调制（多元制）

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

  • 简单来说，码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息

编码与调制

常用编码

• 不归零编码 NRZ

• 反向不归零编码 NRZI

  • 在码元时间内不会出现零电平。若电平反转则表示1，若电平保持不变则表示0

    • 1变0不变

• 归零编码 RZ

• 曼彻斯特编码

  • 用于以太网（传统以太网1-10Mb/s）

    • 编码效率50%，波特率为10Mbps，则数据速率为5Mbps

  • 每一位中间电平转换既表示数据又作为定时信号，是一种双相码

  • 根据题目给定初始有效电平分析

    • 特别地，标准曼彻斯特编码，从低到高是0

• 差分曼彻斯特编码

  • 用于令牌环网

  • 每一位开始处是否有电平转换，由电平转换（跳变）表示0，没有表示1

    • 0变1不变
    • 差分曼码的另一种看法，看两个相邻波形：波形相同，后一个表示0；波形不同，后一个表示1

  • 每一位中间的电平转换只作为定时信号，不表示数据

  • 起始位的判断一般是题目给定初始信号是高电平还是低电平分析

基本调制方法

• 混合调制

  • 频率和相位是相关的，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者中的一个
  • 通常情况下，相位和振幅可以一起调制，称为正交振幅调制QAM

信道的极限容量

造成信号失真的因素，

信号失真严重称为码间串扰

• 码元传输速率
• 信号传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体质量

奈氏准则

• 码元传输速率

  • 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

    • 理想低通信道的最高码元传输速率= 2W Baud

      • W：信道带宽，Hz；Baud：波特，码元/s

    • 理想带通信道的最高码元传输速率= W Baud

• 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。

  • 比特率 = 波特率 x 1个码元携带的比特数

    • 要提高信息传输速率，就要使每个码元携带更多比特的信息量，这需要使用多元制
    • 基本调制属于二元调制，只能产生2种不同的码元，每个码元只能携带1bit信息量
    • 混合调制属于多元调制，如QMA16可以调制出16种不同的码元，1个码元能携带4bit信息量

• 实际信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则的上限

  • 实际会受失真因素的影响

• 无限提高码元携带的比特数也不能无限提升传输速率

  • 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
  • 噪声功率相对信道功率越大影响越大——香农公式

香农公式

• 数据传输速率

  • 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限传输速率

$$c=W\times lo{g}_2(1+\frac{S}{N})$$

- c：信道的极限信息传输速率（b/s）
- W：信道带宽（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）做度量单位

	- 

$$信噪比(db)=10\times lo{g}_{10}(\frac{S}{N})$$

• 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限船速速率越高

• 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速率低不少

  • 香农公式中并未考虑实际信道中其他损伤，如脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等

根据奈氏准则和香农公式

• 在信道带宽一定的情况下，要想提高信息的传输速率必须采用多元制（更好的调制方法），和努力提高信道中的信噪比
• 自香农公式发表后，出现各种新的信号处理和调试方法，为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限

习题

基本概念

• C

• C，A是机械特性，B是功能特性，D是电气特性，C属于数据链路层的范畴

常用编码

• 10Mb/s，Base基带传输，T以太网

• A

信道极限容量

• D，调制速度也就是码元传输速率，信道传播速度不影响，有影响的是带宽

• 【注】如果题目没有特别指明信道是带通信道，即给出信道频率的上下限，则认为信道属于低通信道