【计算机网络微课堂】湖科大教书匠——第二章物理层

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第二章 物理层

2.1物理层的基本概念

物理层作用：解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。

物理层协议的主要任务：

1. 机械特性
2. 电气特性
3. 功能特性
4. 过程特性

2.2物理层下的传输媒体

1. 引导型传输媒体（有线）
2. 非引导型传输媒体（无线）

重点：
双绞线的绞合目的：抵御部分来自外界的电磁波干扰和减少相邻导线的电磁干扰。
光纤分为：多模光纤和单模光纤。

微波的直线传播特性
微波的应用：地面微波接力通信和卫星通信。

2.3传输方式

三种分类方式：

串行传输：数据一个个比特依次发送，发送端和接收端之间只需要一条数据传输线路。用于传输线路上。

并行传输：一次发送n个比特，需要n条传输线路。优点为速度是串行的n倍，缺点为成本高。用于计算机内部。

单工：单向通信，通信双方只有一个数据传输方向。例如无线电广播。

半双工：双向交替通信，通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。例如对讲机。

全双工：双向同时通信，通信双方可以同时发送和接收信息。例如电话。

3. 重点：

同步传输中的同步：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔。接收端在每个比特信号的中间时刻进行检测，以判别接收到的是比特0还是比特1。判别时刻的累积误差会导致接收端比特信号的判别错位。因此。需要采取方法（外同步和内同步）使收发双方的时钟保持同步。

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。如曼彻斯特编码。

异步传输中的异步：以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不固定，接收端仅在每个字节的起始处对字尚内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加止起始和结束位。

2.4编码与调制

消息：需要计算机帮助用户处理和传输的文字、图片、音频、视频等。

数据：运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据。

信号：数据的电磁表现。

基带信号：由信源发出的原始电信号。基带信号又可分为两类：

1. 数字基带信号
2. 模拟基带信号

信道可分为数字信道和模拟信道两种。信号需要在信道中进行传输。

编码：

1. 数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传输。
2. 模拟信号转换为数字信号，在数字信道中传输。

常用编码：

4. 不归零编码：在整个码元时间内，电瓶不会出现零电平。缺点是需要额外一根传输线来传输时钟信号。
5. 归零编码：每个码源传输结束后，信号都要归零。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。缺点是编码效率低。
6. 曼彻斯特编码：在每个码源时间的中间时刻，信号都会发生跳变，跳变既表示时钟，又表示数据。传统以太网使用。
7. 差分曼彻斯特编码：在每个码源时间的中间时刻，信号都会发生跳变，跳变仅表示时钟。优点是比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。

调制：

1. 把数字基带信号的频率范围搬移到较高的频段，转换为模拟信号，在模拟信道中传输。
2. 模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输。

调制方法：

1. 基本调制方法（二元制）：一个码元只能表示或者包含一个比特信息。
   调幅：两种不同振幅的波形；
   调频：两种不同频率的波形；
   调相：两种不同初相位的波形。

2. 混合调制方法（多元制）：可以调制出多种基本波型，使每一个码元能够携带更多个比特的信息量。
   正交振幅调制QAM：相位和振幅结合调制*。*
   以下星座图中一点表示其中的一个码元，它与圆心连线的距离可看作是振幅，连线与横坐标的夹角可看作是相位。

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。
传输媒体和信道不能直接划等号，因为一条传输媒体可以包含多个信道。

2.5信道的极限容量

当一个数字信号通过实际的信道后，波形会产生失真。

失真原因：主要有码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量等。

码间串扰：信号波形失去了码元之间的清晰界限。

1. 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。

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。
与比特率的关系：当一个码元携带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。

2. 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。
   

未考虑因素：各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等。

3. 奈氏准则和香农公式的意义：在信道带宽一定的情况下，要想提高信息的传入速率就必须采用多元制，并努力提高信道中的信噪比。