王道 第二章物理层

作者：进击攻城狮
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首发时间：2022年9月14日星期三
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第二章物理层

2.1.1物理层的基本概念

1.通信基础

2.俩个公式

3.看图说话

4.传输介质

5.物理层设备

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

1.机器特性 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、引脚数目和排列情况

2.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

3.功能特性 指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途

4…规程特性 定义各条物理线路的工作规程和时序关系

2.1.2数据通信基础知识

数据通信相关术语

通信的目的是传送信息

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存在形式

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受信道。

三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

1.单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道

2.半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要俩条信道

3.全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道

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

常用于计算机内部数据传输

2.1.3码元、波特、速率、带宽

码元

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

1）码元传输速率：别名码元速率、波形速率、符号速率等，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可以称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特。1波特(Baud).表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关

2)信息传输速率：别名信息速率、比特率等，表示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)

关系：若一个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M*nbit/s

带宽：表示在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，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，单位是b/s。

2.1.4奈氏准则和香农定理

失真

失真的一种现象–码间串扰

奈氏准则

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 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速率=2Wlog2V(b/s)

• 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。超过上限，就会出现严重的码间串扰问题
• 信道的频带越宽，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收奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，必须设法使每个码元能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

香农定理

信噪比(dB)=10log10(S/N) 数值等价

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

• 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
• 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
• 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能达到的传输速率要比它低不少
• 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N码元上限，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

2.1.5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：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输。eg：计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号，比如声波。

宽带信号：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。

把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬至较高的频段以便在信道上传输

编码与调制

2.1.6编码与调制2

数字数据编码为数字信号

数字数据

数字信号：数字发送器（编码）
模拟信号：调制器（调制）
模拟数据

数字信号：PCM编码器（编码）
模拟信号：放大器调制器（调制）
数字数据编码为数字信号
1、非归零编码【NRZ】

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。例如全0或全1，是一条水平线

2、曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步），又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率中有调制速率的1/2。（一个人时钟周期内，一个比特，两个码元）

3、差分曼彻斯特编码

同1异0。常用于局域网传输，其规则是：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。该编码的特点是，在每个码元的中间，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。

4、归零编码【RZ】

信号电平在一个码元之内都要恢复到零。

5、反向不归零编码【NRZI】

信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

6、4B/5B编码

比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。

只采用16种对应16种不同的4位码,其他的16种作为控制码(帧的开始和结束，线路的状态信息等)或保留。

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。

调幅+调相（QAM）正交调幅调制！

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、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。

最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用，它主要包括三步：抽样、量化、编码

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地模拟数据，要使用采样定期进行采样。采样频率 ≥ 2*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，这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，可能需要较好的频率。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是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播的。

2.2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，它就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暗号，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：

导向性传输介质–>电磁波被导向沿着媒介传播

非导向性传输介质–>自由空间，介质可以是空气、真空、海水

导向性传输介质–>双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根并排绞合的、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

为了提高抗电磁干扰能力，可加一层由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线，无屏蔽层的双绞线是非屏蔽双绞线

便宜，距离远，对于模拟传输，要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形

导向性传输介质–同轴电缆

2.3物理层设备

中继器

中继器的功能：对信号进行再生和还原，对于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：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连，且两个网络速率要相同。

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或不适于网段的数据。

两端可连相同媒体，也可连不同媒体。

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）

**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。

集线器

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

• 星型拓扑结构
• 集线器不能分割冲突域

2.4第二章总结