王道408--CN---物理层
一、历年选择题考点
二、数据通信基础知识
数据、信号(数字信号与模拟信号)、码元
数据: 传送信息的实体，通常是有意义的符号序列，如图片、文字
信号: 数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式,如数字信号与模拟信号
数字信号（离散信号）:代表消息的参数取值是离散的
模拟信号（连续信号）:代表消息的参数取值是连续的
码元: 在一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形就称为码元
在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，一种代表1状态，是二进制码元
一个码元所携带的信息量是不固定的，是由调制方式和编码方式决定的 k进制码元
信源、信宿、信道
信源: 产生或发送数据的源头
信宿: 接收数据的终点
信道: 信号的传输媒介,一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条信道
在无线通信中，信道可以是无线电频谱中的一段频带，用于传输无线信号。在有线通信中，信道可以是电缆或光纤等物理媒介，用于传输电信号或光信号。
速率、波特、带宽
速率:
1、码元传输速率=码元速率=波形速率=符号速率=调制速率
它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可以称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）
2、信息传输速率=信息速率=比特率
表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位：b/s
波特率: 每秒可能发生的信号变化次数
波特率 = 比特率/每码元所含比特数 = 信息传输速率/每码元所含比特
带宽:
两个含义
1、模拟信号系统中，最高频率与最低频率的差值
2、表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”
信道
1、按传输信号分
模拟信道用于传输模拟信号
数字信道用于传输数字信号
2、按传输介质分
无线信道、有线信道
基带信号与宽带信号
基带信号: 将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输（基带传输）
宽带信号: 将基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输（宽带传输）
基带传输、频带传输、宽带传输
1、基带传输
在计算机内部或在相邻设备之间近距离传输时，可以不经过调制就在信道上直接进行的传输方式称为基带传输。它通常用于局域网。
2、频带传输
用数字信号对特定频率的载波进行调制（数字调制），将其变成适合于传送的信号后再进行传输，这种传输方式就是频带传输。远距离传输或无线传输时，数字信号必须用频带传输术进行传输。
3、宽带传输
借助频带传输，可将链路容量分解成两个或多个信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中所有的信道能同时互不干扰地发送信号，链路容量大大增加。比如把信道进行频分复用，划分为2条互不相关的子信道，分别在两条子信道上同时进行频带传输，链路容量就大大增加了，这就是宽带传输
注意联系数字信号、基带传输、数字信道、基带信号 与 模拟信号、模拟信道、宽带信号、宽度传输、带宽的关系
通信方式
单工通信: 即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
如无线电广播、有线电广播就是单工通信
半双工通信: 双向交替通信
即通信双方都可以发送信息，但不能双方不能同时发送
全双工通信: 双向同时通信
即通信双方可以同时发送或接收信息,单工通信需要一条信道，而半双工通信和全双工通信需要两条信道
三、奈氏准则和香农定理
失真
所谓失真就是失去了真实性
信号在传输过程中，由于实际信道有噪声、干扰、带宽的限制，导致接收端接收的信号和发送端发送的信号不一致
码间串扰
码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象
具体的信道所能通过的频率范围是有限的
奈⽒准则
1、奈氏准则又称奈奎斯特定理
2、在理想低通（无噪声、带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，单位是HZ。
3、带宽只有在奈氏准则和香农定理中单位是HZ，其余都是b/s。
4、理想低通信道下的极限数据传输率 = \(2W *log_2V\)
W是信道带宽，单位：HZ。V是码元的离散电平数目，即共有几种码元
5、在任何信道中，码元传输速率是有上限的，如果传输速率超过这个上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的判决（识别）成为不可能
6、如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高速率传送码元而不出现码间串扰
7、由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多的个比特量的信息
香农定理
1、在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输率有上限值。
2、信噪比
信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记于S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。
信噪比（dB） = \(10 * lg(S/N)\) (dB)
3、信道的极限数据传输速率 = $W *log_2(1+S/N) $
W是带宽，单位：HZ 。 S/N是信噪比
4、信道的带宽越大或信道的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
5、对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
6、只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错传输。
7、香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低很多
我们在计算信道最大传输速率的时候，最好香农与奈氏准则都试一试，最后取两者中的较小者
两个定理均用于模拟信号
四、编码与调制
数字数据与模拟数据转换位数据信号与模拟信号
数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的都必须转变成信号。把数据变换为模拟信号的过程称为调制，把数据变换为数字信号的过程称为编码。
数字数据编码为数字信号
1、归零编码(RZ): 信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码方式
这种编码在传输过程中处于低电平的情况多，信道利用率低
2、非归零编码(NRZ): 正电平为1，负电平为0
无法实现自同步
3、反向不归零编码(NRZI): 信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1
无法实现自同步
4、曼彻斯特编码(Manchester Encoding): 前高后低表示1，前低后高表示0
而只传输了一位比特,但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍 。每个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1/2（在一个时钟周期内电平变化了两次，
5、差分曼彻斯特编码: 若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的电平相同，若为0，则相反。
该编码的特点是在每个码元中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰强于曼彻斯特编码。
6、4B/5B编码: 比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。
数字数据调制为模拟信号
正交振幅调制QAM（调频 + 调相）：为了达到更高的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制振幅相位调制方法。
模拟数据编码为数字信号
PCM： 脉冲编码调制
要注意 ： f采样频率 ≥ 2f信号最高频率
我记得楼楼这一块讲的不错
模拟数据调制为模拟信号
在模拟信号传输过程中，可能信道的长度非常长，环境比较恶劣，会导致传输的模拟信号会受到衰减
为了保证传输的有效性，需要将信号调制成频率更高的信号来应对传输过程的衰减
接收方接收到调制的信号后，通过解调器将信号还原为原来的信号
五、电路交换，报⽂交换，分组交换 --- 数据传输方式/数据交换方式
电路交换
1、特点
电路交换需要建立一条专用的物理数据通信路径，这条路径上可能包含许多中间节点
这条通信路径在整个通信过程中将被独占，直到通信结束才会释放资源。
电路交换适合实时性要求较高的大量数据传输的情况。
2、优点
通信时延小。通信双方通过专用线路进行通信，数据可以直达。当数据传输量较大时，优点将十分显著。
线路独占，没有冲突。
实时性强。一旦通信线路建立，双方可以实时通信
可以用于传输模拟信号和数字信号
3、缺点
线路独占，利用率太低。
连接建立时间过长
报文交换
1、特点
报文交换以报文作为数据传输单位，携带有源地址和目的地址等信息。
2、优点
无需建立连接。
动态分配线路。
线路利用率高
3、缺点
报文交换对报文的大小没有限制，需要网络节点有足够的缓存空间。
报文交换在节点处要经历存储、转发等操作，从而引起一定时延
分组交换
1、特点
分组交换是将大的数据块分割成小的分组，并添加源地址、目的地址和分组编号等信息。
以太网采用分组交换技术
分组交换对报文交换的主要改进是减少了传输时延
2、优点
无需建立连接。
线路利用率高。
相对报文交换，分组长度固定，缓冲区容易管理。
分组比报文小，因此传输时间更短。
3、缺点
存在存储转发时延。
需要传输包括源地址、目的地址、分组编号等额外信息。
分组可能遇到失序、丢失、重复等问题。若采用虚电路服务，虽无失序问题，但有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
六、数据报与虚电路
分组交换根据通信子网向端点系统提供的服务，分为数据报方式和虚电路方式
两种方式都由网络层提供
1、主机A先将分组逐个发往与它直接相连的交换结点A,交换结点A缓存收到的分组。
2、然后查找自己的转发表。由于不同时刻的网络状态不同，因此转发表的内容可能不完全相同，所以有的分组转发给交换结点C,有的分组转发给交换结点D。
3、网络中的其他结点收到分组后，类似地转发分组，直到分组最终到达主机B。
1、分组首部不包含目的地址，包含的是虚电路标识符
2、在虚电路方式中，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别于本系统中的其他虚电路。在传送数据时，每个数据分组不仅要有分组号、校验和等控制信息，还要有它要通过的虚电路号，以区别于其他虚电路上的分组。在虚电路网络中的每个结点上都维持一张虚电路表，表中的每项记录了一个打开的虚电路的信息，包括在接收链路和发送链路上的虚电路号、前一结点和下一结点的标识。数据的传输是双向进行的，上述信息是在虚电路的建立过程中确定的。
3、会话结束后根据是永久性虚电路还是临时性虚电路在不同时间撤销虚连接
电路交换与虚电路交换的区别
电路交换：通常是在物理层，譬如打电话等。此时整个物理线路的带宽是由该通讯独占的。
虚电路交换：在一条物理线路上虚拟出多个逻辑的通道，此时该物理线路上可以有多条通讯量，每条通讯独占一条
七、传输介质
传输介质是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路
传输媒体并不是物理层
有人把物理媒体当作第0层
四大特性
1、机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。
2、电气特性：规定传输二进制时，线路上信号的电压范围，阻抗匹配、传输速率和距离限制。如某网络在物理层规定，信号的电平用+10V~ +15V表示二进制0，用-10V~15V表示二进制1，电线长度限于15m之内，这些都是电气特性。
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。
注意与电气特性区分，如描述一个物理层接口引脚处高电平时的含义表示的功能特性。
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
导向性传输介质与非导向性传输媒介质
导向性传输介质：铜线，光纤
非导向性传输媒介质：空气，真空，海水
双绞线
1、把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来。绞合可减少对相邻导线的电磁干扰。
2、非屏蔽双绞线UTP
无屏蔽层的双绞线
3、屏蔽双绞线STP
为了提高双绞线抗电磁干扰的能力，可以在双绞线的外面再加上一层用金属丝编织成的屏蔽层。
4、优缺点
价格便宜，通信距离短，长距离的模拟传输需要放大器放大衰减信号，对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。
模拟传输和数字传输都可使用双绞线，其通信距离一般为几千米到数十千米。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号：对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。
同轴电缆
1、同轴电缆由内导体铜质芯线（单股实心线或多股绞合线）、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层（也可以是单股的）以及保护塑料外层所组成。
2、基带同轴电缆
用于传输基带数字信号的称为，用于局域网; 50Ω
3、带宽同轴电缆
用于传送宽带信号的称为，用于有线电视系统; 75Ω
4、优缺点
由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离比双绞线更远，价格也更高。
光纤
光纤通信就是利用光导纤维（以下简称为光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲相当于1，而没有光脉冲相当于0
一、单模光纤
光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导那样，可使光线一直向前传播，而不会产生多次反射，这样的光纤就是单模光纤
1、单模光纤的光源为定向性很好的半导体激光器，
2、单模光纤的衰减较小，可传输数公里甚至数十千米而不必采用中继器，适合远距离传输。
二、多模光纤
利用光的全反射特性，可以将从不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为
多模光纤（见图2.10)
1、多模光纤的光源为发光二极管。
2、光脉冲在多模光纤中传输时会逐渐展宽，造成失真，因此多模光纤只适合于近距离传输。
八、物理层设备
中继器
中继器的主要功能是将信号整形并放大再转发出去，以消除信号经过一长段电缆后而产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要的要求，进而扩大网络传输的距离。
0、中继器的原理是将衰减的信号再生，而不是放大
1、中继器的网段一定要是同一个协议（中继器不会存储转发，傻瓜式机器）
2、使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网。
3、5-4-3规则
网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。
以太网有5个网段，4个网络设备，3个段连接计算机
集线器
0、英文名 hub
1、集线器本质是一个多端口的中继器
2、不具备信号的定向传送能力，是一个共享设备。
3、端口收到数据后，从除输入端口外的所有端口广播出去
4、与中继器一样，只能半双工
5、使用双绞线
6、与中继器一样。不能分割冲突域
放大器与中继器
放大器是用来加强宽带信号（用于传输模拟信号）的设备（大多数以太网采用基带传输)
中继器是用来加强基带信号（用于传输数字信号)的设备。
并且中继器的原理是再生信号
九、错题2.1
曼彻斯特编码将时钟与数据取值都包含在信号中（T4）
每个码元的中间出现电平的跳转，位中间的跳变作为时钟信号，每个码元的电平作为数据信号
声音是模拟信号(显而易见)
09.测得一个以太网的数据波特率是40 MBaud,那么其数据率是(B)。
A.10Mb/s
B.20Mb/s
C.40Mb/s
D.80Mb/s
因为以太网采用曼彻斯特编码，每位数据（一个比特，对应信息传输速率)都需要两个电平（两个脉冲信号，对应码元传输速率)来表示，因此波特率是数据率的两倍，得数据率为(40M/s)2=20Mb/s。
T10
区分有效离散值与离散个数的概念
T12
T14
T18
18.将1路模拟信号分别编码为数字信号后，与另外7路数字信号采用同步TDM方式复用
到一条通信线路上。1路模拟信号的频率变化范围为0~1kHz,每个采样点采用PCM方
式编码为4位的二进制数，另外7路数字信号的数据率均为72kb/s。复用线路需要的最
小通信能力是()。
A.7.2kb/s
B.8kb/s
C.64kb/s
D.512kb/s
这道题真的是考察的很深啊
T20
以太网采用的是分组交换
虚电路不只是临时性的
它提供的服务包括永久性虚电路(PVC)和交换型虚电路(SVC),其中前者是一种提前定义好的、基本上不需要任何建立时间的端点之间的连接，而后者是端点之间的一种临时性连接，这些连接只持续所需的时间，并且在会话结束时就取消这种连接，B错误。数据报服务是无连接的，不提供可靠性保障，也不保证分组的有序
10BaseT的含义
10BaseT即10Mb/s的以太网
41.【2020统考真题】下列关于虚电路网络的叙述中，错误的是（B)。
A.可以确保数据分组传输顺序
B.需要为每条虚电路预分配带宽
C,建立虚电路时需要进行路由选择
D.依据虚电路号(VCID)进行数据分组转发
虚电路服务需要有建立连接的过程，每个分组使用短的虚电路号，属于同一条虚电路的分组按照同一路由进行转发，分组到达终点的顺序与发送顺序相同，可以保证有序传输，不需要为每条虚电路预分配带宽。
我第一次选的D，我更改了对于D选项的理解
虚电路传输方式会创建多个虚电路，每个虚电路交互相连，我们需要用虚电路号，来判断下一路径应该往哪走
因此，说虚电路号具有数据分组转发的指导功能合情合理
十、错题2.2
光纤不是中空的
其中其实是头发丝大小的玻璃丝
如果光纤的直径减小到只有光的一个波长大小，那么光沿直线传播
卫星通信有成本高、传播时延长、受气候影响大、保密性差、误码率较高的特点。
优点：通信容量大；距离远；覆盖广；易于实现广播通信和多址通信。
