计网3

物理层

物理层解决如何在连接各种计算机的传输媒体（介质）上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性

---

• 数据通信

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

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。

​ 分为：数字信号（消息的参数取值是离散的），模拟信号（消息的参数取值是连续的）。

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接受数据的终点。

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送消息的介质。因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

三种通信方式：

1. 单工通信：只有一个方向的通信，没有反方向的交互，只需要一条信道。
2. 半双工通信：同一时间只能有一方作为发送方，另一方只能作为接收方，需要两条信道。
3. （全）双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，需要两条信道。

两种数据传输方式：

---

• 码元：

  

  一个 4 进制码元可以携带两比特的信息量

• 速率：

  单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

  1. 码元传输速率（码元速率，波形速率，调制速率，符号速率）：1s内传输多少个码元，单位是波特（Baud）。码元可以是多进制的，但是码元速率与进制数无关。
  2. 信息传输速率（信息速率、比特率）：1s内传输多少比特。单位 b/s

---

• 码元传输速率：越快，失真越严重
• 信号传输距离：越远，失真越严重
• 噪声干扰：越强，失真越严重
• 传输媒体质量：越差，越严重

码间串扰：由于信息传输速率太快，接收端收到的信号波形失去了码元之间清洗界限的现象。

1. 奈氏准则：

   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。

   理想低通信道下的极限数据传输率=\(2W\log_2V(b/s)\)

   其中V表示有几种码元，它与相位和振幅一次正相关。

   

---

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率。常记为 \(S/N\) ，并用分贝\((dB)\)作为度量单位。

信噪比 \((dB)=10\log_{10} (S/N)\) 数值等价

1. 香农定理：

   在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信道的极限数据传输速率为：

   \[W log_2(1+S/N) \ \ \ \ (b/s) \]

   e.g：信噪比为 30 \(db\) ，先求出信噪比为 \(1000\)， 再代入公式。

   

只有在这两个公式中带宽的单位才是Hz。

并且，如果两个都能算，应该取最小值。

---

基带信号与宽带信号

基带信号 => （调制） 宽带信号

宽带信号 => （解调） 基带信号

编码与调制：

数字信号调制为模拟信号，称为基带调制；

模拟信号调制为模拟信号，称为带通调制；

---

1. 数字数据编码为数字信号

• 曼彻斯特：码元内出现电平跳变，前高后低表示1，前低后高表示0；曼彻斯特编码的频带宽度是原始基带宽度的两倍，而一个码元仅包含1比特的数据，因此它的数据传输速率只有调制速率的1/2。
• 差分曼彻斯特：码元内出现电平跳变。相邻两个码元间，如果出现电平跳变，则下一个码元表示0，否则表示1。

2. 数字数据调制为模拟信号

   

---

物理层传输介质

传输介质 也成为传输媒体/传输媒介， 它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备的物理通路。

• 导向性传输介质

  1. 双绞线

     

  2. 同轴电缆

     

  3. 光纤

     与上述不同，光纤传播的是光波，而非电磁波。光纤通信系统的带宽非常大，远远大于目前各种传输媒体的带宽。

     光纤在两端需进行光电转换。发送端须有光源，接收端需要光检测器。

     损耗低，适合传输远距离。

• 非导向型传输介质

  1. 无线电波
  2. 微博
  3. 红外线，激光

  

---

物理层设备

1. 中继器（Repeater）

   用于再生数字信号

   

2. 集线器（多口中继器，Hub）

   

   核心思想：广播；

   弊端：多个设备同时发送数据，会产生冲突；效率低

---