计算机网络 - 物理层

计算机网络 - 物理层

物理层的基本概念

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

物理层的主要任务描述为：确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

• 机械特性：比如 接口形状、大小、引线数目
• 电气特性：比如 规定电压范围（-5V 到 +5V）
• 功能特性：比如 规定 -5V 表示0，+5V 表示1
• 过程特性：也成为规程特性，规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

数据通信的基础知识

典型的数据通信模型

相关术语：

• 通信的目的是传送消息
• 数据（data）—— 运送消息的实体
• 信号（signal）—— 数据的电气或电磁的表现
• “模拟信号” —— 代表消息的参数的取值是连续的
• “数字信号” —— 代表消息的参数的取值是离散的
• 码元（code）—— 在使用时间域的波形表示数字信号时，则表示不同离散数值的基本波形就称为码元
• 在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为二进制码元。而这个间隔被称为码元长度。1码元可以携带 nbit 的信息量

信道的几个基本概念

信道一般表示向一个方向传送信息的媒体。所以咱们说平常的通信线路往往包含一条发送信息的信道和一条接收信息的信道。

• 单向通信(单工通信)：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

• 双向交替通信(半双工通信)：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。

• 双向同时通信(全双工通信)：通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带(baseband)信号和带通(band pass)信号

• 基带信号(即基本频带信号)来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号

• 带通信号：把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高
  的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

几种最基本的调制方法

• 调幅(AM) : 载波的振幅随基带数字信号而变化。
• 调频(FM) : 载波的频率随基带数字信号而变化。
• 调相(PM) : 载波的初始相位随基带数字信号而变化。

常用编码

• 单极性不归零码：只使用一个电压值，用高电平表示1，没电压表示0.

• 双极性不归零码：用正电平和负电平分别表示二进制数据的1和0，正负幅值相等。

  

• 单极性归零码：高电平和零电平分别表示二进制码1 和0

• 双极性归零码：正负零三个电平，信号本身携带同步信息。

  

• 曼彻斯特编码：高电压->低电压表示1，低电压->高电压表示0

• 差分曼彻斯特编码：没有跳变的表示下一个是1，有跳变的表示下一个是0

  

信道的极限容量

奈氏准则

1924年，奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。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，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
理想低通信道的最高码元传输速率=2WBaud

• W是理想低通信道的带宽，单位为HZ
• Baud是波特，是码元传输速率的单位
• 如果一个码元含有3个Bit信息量，则1波特 = 3Bit/s

信噪比

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率C可表达为

• W为信道的带宽(以Hz为单位)
• S为信道内所传信号的平均功率
• N为信道内部的高斯噪声功率

信道复用技术

• 频分复用：用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。

• 时分复用：将时间划分为一段段等长的时分复用帧。

• 统计时分复用

• 波分复用

• 码分复用