计算机网络学习—物理层

二、 物理层

2.1 物理层的基本概念#

物理层所要解决的问题（⭐）

• 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。

物理层协议的主要任务（⭐）

• 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。
• 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。

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（⭐）
  • 绞合的作用
    1. 抵御部分来自外界的电磁干扰
    2. 减少相邻导线的电磁干扰
  • 目前的家用以太网，最低应选用超5类（SE）双绞线
  • 屏蔽双绞线比非屏蔽双绞线具有更好的抗干扰性能，但价格也更贵。
• 光纤（⭐）
  • 多模光纤
    • 适用于近距离传输（建筑物内）
  • 单模光纤
    • 适用于远距离传输
• 电力线

非导引型传输媒体

• 无线电波
• 微波（⭐）
  • 直线传播，可以穿透电离层
  • 地面100米发生塔，最大视距LOS传输距离为100公里
  • 地球同步卫星
  • 低轨道卫星
• 红外线
• 可见光

无线电频谱管理机构

• 中国
• 美国
• ISM频段

2.3 传输方式#

两种传输时空顺序（⭐）

• 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，用于计算机内部数据传输

数据同步技术（⭐）

• 同步传输：发送数据块，双方建立同步时钟，实现复杂，适用高速网络。
  • 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）
• 异步传输：发送字符，无需建立同步时钟，实现简单，适用低速网络。
  • 字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
  • 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）

三种数据传输方向

• 单向通信（单工）：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。（例如广播）
• 双向交替通信（半双工）：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，需要两条信道。（例如对讲机）
• 双向同时通信（全双工）：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。（例如电话）

2.4 编码与调制#

数字信号编码后，在数字信道传输（⭐）

• 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。

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• 常用编码：

  • 不归零编码（NRZ）：高1低0，易实现，但无法检错、无法判断开始结束

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  • 归零编码(RZ)：每个码元传输结束后信号都要“归零”，也称为“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。

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  • 曼彻斯特编码：

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  • 差分曼彻斯特编码：

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  • （⭐）曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码的判断

    • 曼彻斯特编码只看每个码元中间的跳动，可以从高到低为1，从低到高为0
    • 差分曼彻斯特编码只看每个码元的左边那条虚线，若为虚线，则为1，若为实线，则为0
      • 例如：

数字信号调制成模拟信号，在模拟信道传输（⭐）

• 基本调制方法：
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• 混合调制方法：正交振幅调制QAM
  • QAM-16
    • 12种相位
    • 每种相位有1或2种振幅可选
    • 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特
    • 码元与4个比特的对应关系采用格雷码，即任意两个相邻码元只有1个比特不同。
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2.5 信道的极限容量#

信道的失真因素

• 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—— 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 = 2W 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）在数值上市相等的；
  • 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。
• 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——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）

• 信道带宽或信道中信噪比较大，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。

奈氏准则和香农公式的意义（⭐）

• 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。
• 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。

例题

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