计算机网络 —— 物理层

物理层

2.1 物理层的基本概念

• 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。

• 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

2.2 物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体：同轴电缆、双绞线、光纤、电力线

非导引型传输媒体：无线电波、微博、红外线、可见光

2.3 传输方式

串行并行

串行传输：数据一次发送一个比特，在发送端和接收端只需要一条数据传输线路。例如：计算机网络。

并行传输：数据一次发送n个比特，在发送端和接收端需要n条数据传输线路。例如：计算机内部CPU与内存传输。

同步异步

同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隙。

异步传输：数据块以字节为独立单位，字节之间的时间间隔不是固定的。

单工、半双工、双工

2.4 编码与调制

编码是将数字信息转换为特定格式的过程，以便在通信系统中进行传输或存储。编码可以分为源编码和信道编码。

调制是将数字信号转换为模拟信号的过程。数字信号一般是离散的，而通信系统通常使用模拟信号在信道中传输。调制的目的是将数字信号转换为适合在信道中传播的连续波形。

常用编码

基本调制方法

使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。通过混合调制可以携带多个比特。

混合调制

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。

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。

2.5信道的极限容量

信号在传输过程中会受到各种因素的影响。

奈氏准则

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。

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2 W Baud = 2 W码元/秒

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

• 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：
  • 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
• 要提高信息传递速率（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。
• 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。

香农公式

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 × log₁₀（S/N）（dB）