计网二、物理层

2021-05-30 20:47:26 星期日

好家伙，今晚直接网易云上号了两个小时，在停不下来的趋势中还是忍痛关掉。。计网开干....

一、物理层基本概念

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。
物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性 ————> 定义标准

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。
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何种意义，接口部分的信号线的用途。
规程特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

二、数据通信基础知识

典型的数据通信模型

相关术语

数据：传送信息的实体，通常时有意义的符号序列。
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。
- 数字信号：代表消息的参数取值是离散的。
- 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的。
信源：产生和发送数据的源头。
新宿：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，一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
- 按传输信号分为模拟信道和数字信道。
- 按传输介质分为无线信道和有线信道。

三种通信方式

单工通信：单向、一条信道
半双工通信：双向不同时、两条信道。
全双工通信：双向可同时、两条信道。

两种数据传输方式

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。

三、码元、波特、速率、带宽

码元

码元是指用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，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。（一个信号代表一个码元）
当码元的离散状态有M个时（M大于2）此时码元为M进制码元。
1码元可以携带多个比特的信息量。

速率、波特、带宽

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示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。

码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数/脉冲个数/信号变化的次数，单位波特（Baud）。即1S传输多少个码元。码元速率与进制数无关。
信息传输速率：单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位比特/秒。即1S传输多少个比特。
两者之间的关系：若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*n bit/s。

话不多说，上题巩固一下....

2021-05-30 22:11:54 星期日

好困，早睡早起，，明天还有早课....

2021-05-31 19:19:37 星期一

今天下午的雨有点大呀，在回宿舍跟去教室的两条路中我最终还是去了教室，，，hhhhhh....好了开始今天计网的学习。。

四、奈氏准则和香农定理

失真

影响失真程度的因素：

码元传输速率
信号传输距离
噪声干扰
传输媒体质量
失真的一种现象
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（码元传输速率太快）。
补充：信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差。信道带宽太低或者太高都会造成数据无法通过

奈氏准则（奈奎斯特定理）

在理想低通（无噪声，带宽受限/低于最高速率）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。（只有奈氏准则和香农定理这两个公式的带宽才用Hz）

V表示几种码元/码元的离散电平数目
公式推论

在任何信道中，码元传输的速率是由上限的，若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，是接收端码元的完全正确识别成为不可能。
信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
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够携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

上题....

香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中，由于噪声随机产生，他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，记为S/N，并用分贝dB作为度量单位。

香农定理：在带宽受限且有噪声（条件）的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

公式推论

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的传输
香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比他低上不少。

上题....

两个定理的比较

如何题目给出的条件中两个定理公式都可以应用，则根据两个定理分别求出最大的数据速率，然后取速率比较低的。

五、编码与调制

基带信号与宽带信号

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接收信道。
信道上传送的信号：

基带信号：来自信源的信号，在数字信道上传输（基带传输）
宽带信号：模拟信道上传输（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上传输。
在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式。（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
远距离则采用宽带信号（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

数字数据可以通过数字发送器利用编码的手段转换成数字信号；
也可通过调制器利用调制的手段转换成模拟信号。
模拟数据可以通过PCM编码器利用编码的手段转换成数字信号；
也可通过放大器调制器利用调制的手段转换成模拟信号。

数字数据编码为数字信号

归零编码
信号电平在一个码元之内都要恢复到零。
非归零编码
高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。
方向不归零编码
信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。
曼彻斯特编码
位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。
特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，为中间的跳变既作为时钟信号（可用于同步），也作为数据信号，但他所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍，数据传输速率只有调试速率的二分之一（两个码元、一个比特）
差分曼彻斯特编码
同1异0，常用于局域网传输，若码元为1则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0则相反。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，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

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，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

上题巩固....

会做吗？？？

模拟数据编码为数字信号

PCM脉码调制的三个步骤：

抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：采样频率>=2倍信号最高频率
量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

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。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号使采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

脑图时刻

六、物理层传输介质

传输介质及分类

传输介质也称传输媒体/传输媒介，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。传输媒体在物理层下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
传输介质可分为：

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。
1. 双绞线
  由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成，绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰（产生的电磁波大小相等相互抵消）
  
  模拟传输和数字传输都可使用双绞线，但距离太远时，模拟传输要用放大器放大衰减的信号；数字传输要用中继器将失真的信号整形。
2. 同轴电缆
  按照性阻抗数值的不同可分为50欧同轴电缆（用于传送基带数字信号，又称基带同轴电缆，广泛用于局域网）和75欧同轴电缆（传送宽带信号，又称宽带同轴电缆，用于有线电视系统）。
  
  由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。
3. 光纤
  光纤通信是利用光导纤维传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无则表示0.光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
  光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，他们在电脉冲作用下能产生出光脉冲；在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。
  - 多模光纤
  - 单模光纤
    
    光线的特点：
    - 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
    - 抗雷电和电磁干扰性能好。
    - 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
    - 体积小，重量轻。
非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。