物理层

物理层

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。

主要任务

​ 确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义传输标准，而不是规定使用什么设备去传输数据比特流

特性

  • 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、引脚数据量和排列方式

    image-20220310222529309

  • 电气特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围，阻抗匹配，传输速率和距离限制等

  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示体积意义，接口部件的信号线的用途

  • 规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信相关术语

  • 数据：被传输的具体数据

  • 信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式

    数字信号：消息的取值是离散的， 模拟信号：消息的取值是连续的

    image-20220310223129723

  • 信源：产生和发送数据的源头

  • 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接收信道

    image-20220310223238319

三种通信方式

  • 单工通信：只有一个方向的通信而没有反向的交互，仅需要一条信道
  • 半双工通信：通信的双方都可以发送和接收消息，但是任何一方都不能同时发送和接收消息，需要两条信道
  • 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收消息，也需要两条信道

两种传输方式

  • 并行传输

  • 串行传输

    image-20220310223959772

    码元，波特，速率，带宽

  • ​ 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。值得注意的是当码元的离散状态有大于2个时（如M大于2个），此时码元为M进制码元。

    image-20220311100021598

    问题：上面两种码元在计算机中每秒都可以传输1000个，那它们的码元传输速率是多少，信息传输速率是多少？哪种信息码元传输更快？

    答：码元传输速率都为1000波特，即1000个码元/秒 ，

    信息传输速率分别为 1000 * 1bit =1000bit/秒 和 1000 * 2=2000bit/秒 ，所以下面的码元传输更快

  • 波特：n波特=n码元/秒，即1秒内码元传输个数

  • 速率：

    1. 码元传输速率 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位是 波特，
    2. 信息传输速率 表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数，即比特数，单位是 **比特/秒 **(b/s)

  • 带宽：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'，常用来表示网络通信线路所能传输数据的能力，单位是 **比特/秒 **(b/s)

奈氏准则和香农定理

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之前清晰界限的现象

奈氏准则：在理想低通条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2W 波特(Baud),W是信道带宽，单位是Hz。

image-20220312145422825

结论:

  1. 在任何信道中，码元的传输速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，接收端对码元的完全正确识别成为不可能
  2. 信道的频带越宽，就可以使用更高的速率进行码元的有效传输。
  3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但是并没有对信息传输速率给出限制。
  4. 由于码元传输速率受限，所以要提高数据传输速率，就必须设法使每个码元携带更多的比特信息量，就就必须使用多元制的调制方法。

香农定理：噪声存在于所有的通信设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误，但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此信噪比很重要。

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，学记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，即：
$$
信噪比(dB)=10\log(S/N)
$$
image-20220312151835942

结论：

  1. 信道的带宽或者信道中的信噪比越大，则信息传输速率超高。
  2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率上限就确定了
  3. 只要信息的实际传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到办法实现无差错传输
  4. 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际要比它低不少
  5. 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限(实际不可能)，那么信道的信息传输速率也没有上限。

编码与调制

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上传输(基带传输)。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字和图像文件的数据信号都是基带信号。基带信号就是直接表达了数据信息的信号，没有做任何编码与调制(即：信号转换)

宽带信息：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)，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。

一般使用场景：

  • 在传输距离较近时，使用基带传输，因为距离近，干扰小

  • 在传输距离较远时，使用宽带传输，因为距离远，不确定性太多，信号干扰大。

image-20220312154737338

  • 数字数据编码为数字信号

    1. 非归零编码【NRZ】
    2. 归零编码【RZ】
    3. 反向不归零编码【NRZI】
    4. 曼彻斯特编码
    5. 差分曼彻斯特编码
    6. 4B/SB编码

  • 数字数据调制为模拟信号

    数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制与解调的过程

    image-20220312155621973

  • 模拟数据编码为数字信号

    计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样，量化转换成数字表示的离散序列（即实现音频数字化）

  • 模拟数据调制为模拟信号

    为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。所以需要将低频的模拟信号搬运到较高频率的模拟信号，以此来提高抗干扰能力。

传输介质及分类

传输介质也称为传输媒体/传输介质，它就是数据传输系统中在发送设备之间的物理通路

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时也称传输媒体为0层。在传输媒体中的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。

但是物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

  • 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介(铜线/光纤)传播
  • 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气，真空，海水等。

物理层设备

中继器

  • 诞生原因:由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

  • 中继器的功能:对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

  • 中继器的两端：

    1. 两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互联，且两个网段速率要相同。
    2. 中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。
    3. 两端可连相同媒体，也可连不同媒体。
    4. 中继器两端的网段一定要是同一个协议。(中继器不会存储转发，傻)

  • 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。

    最多只能有5个网段，最多可以连接4个物理层网络设备，只有3个段可以连接电脑

集线器（多口中继器)

  • 集线器的功能: 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。
  • 集线器不能分割冲突域，连在集线器上的工作主机平分带宽
posted @ 2022-03-24 12:08  菜阿  阅读(176)  评论(0)  编辑  收藏  举报