第二章 物理层 计算机网络总结

物理层

一、物理层的基本概念

1. 物理层解决如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
2. 物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性，如图：
   

二、数据通信的基础知识

1. 数据通信系统的模型

注意：通信的目的是传送消息

2. 几个术语

• 模拟的：代表信息的参数的取值是连续的
• 数字的：代表信息的参数的取值是离散的
• 码元：表示波形
• 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或接收信息，但不能同时发送或接收
• 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
• 基带信号：来自信源的信号，像文字或图像文件的信号都属于基带信号，基带信号包含较多 低频成分，需要对其进行调制
• 带通信号：基带信号经过调制之后，成为较高频的信号，即带通信号，以便在信道中传输

3. 对基带信号的调制

最常用的调制方法有三种：

• 调幅(AM)：振幅
• 调频(FM)：频率
• 调相(PM)：初始相位
  

4. 对基带信号的编码

主要解释曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码

• 曼彻斯特编码：主要讨论一个bit之内信号跳变的问题
  bit之内有信号低 → 高跳变为0，bit之内有信号高 → 低跳变为1
  

• 差分曼彻斯特编码：主要讨论多个bit之间信号跳变的问题
  bit之间有信号跳变表示下一个bit为0，bit之间无信号跳变表示下一个bit为1
  

注意：

1. 差分曼彻斯特编码抗干扰性能强于曼彻斯特编码
2. 二者都可以判断出是一直发送0(信号有跳变)还是无信号(一直是平的，无跳变)
3. 高 → 低或低 → 高都属于跳变

• 例题
  

5. 信道的极限容量

• 任何信道都不是理想的，码元传输速率越高，或传输距离越远，波形失真越严重
  

• 奈氏准则给出了理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值：
  理想低通信道的最高码元传输速率 = 2WBaud
  (1) W是理想低通信道的带宽，单位是Hz
  (2) Baud是波特，是码元传输速率的单位

• 香农公式给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可表示为：
  
  (1) W为信道的带宽(以Hz为单位)
  (2) S为信道内所传信号的平均功率
  (3) N为信道内部的高斯噪声功率，S/N为信噪比

• 香农公式表明
  (1) 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
  (2) 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法实现无差错的传输

• 奈氏准则和香农公式的应用范围
  

三、物理层下面的传输媒体

1. 导向传输媒体：电磁波沿着固体媒体传播

(1) 具体分类

(2) 光纤的工作原理

2. 非导向传输媒体：短波、微波

信道复用技术

(1) 复用的概念

(2) 频分复用技术

(3) 时分复用技术

          注意：由于数据可能丢失，导致分配到信道的利用率较低，如下图：

为此，引入了统计时分复用技术，如图：

(4) 码分复用技术
每一个比特时间划分为m个短的时间间隔，称为码片

• 每个站被指派一个唯一的m bit码片序列
  ① 如果发送比特1，则发送自己的m bit码片序列
  ② 如果发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码

• CDMA的工作原理