计算机网络原理第二章——物理层

一、数据通信的基础知识

1.1典型的数据通信模型

$源系统 \Longrightarrow 传输系统 \Longrightarrow 目的系统$

1.2数据通信的相关术语

$信号 \begin{cases} 模拟信号 \begin{cases}频率：描述信号随着时间改变的速率 \\ 幅度：描述信号的强度 \\ 相位：描述波形相对时间0的位置 \end{cases}\\ 数字信号—码元：用时域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形 \end{cases}$

• 信号：数据的电气或电磁表现
• 模拟信号：代表消息参数的取值是连续的
• 数字信号：代表消息参数的取值是离散的
• 比特率：是单位时间内传输了多少位比特，单位是bit/s
• 波特率：是每秒传输的信号单元的数量，并且一个信号单元能够表示一个或多个比特。
• 比特率 = 波特率 * (一个信号单元)几位

1.3三种通信方式

• 单工通信：只有一个方向的通信但是没有反方向的交互，仅需要一条信道
• 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
• 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

1.4传输数据的两种同步方式

• 异步传输：规则少，想发送就发送
• 同步传输：规则多，允许发送时才能发送信息

二、编码与调制

2.1信号

信道的定义：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。
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（基带传输）。
• 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（宽带传输）。

2.2编码

$编码 \begin{cases}数字数据编码为数字信号 \begin{cases}非归零编码【NRZ】：高1低0\\ 反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，不变表示1\\ 曼彻斯特编码：一个码元内电平从高到低表示1，从低到高表示0 \\ 差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变表示0，无跳变表示1 \\ 4B/5B编码：用五个比特来编码4个比特的数据，以此打破一连串0或1 \end{cases}\\ 模拟数据编码为数字信号—PCM脉码调制 \end{cases}$

2.3调制

$调制 \begin{cases}数字调制 \begin{cases}ASK(幅移键控) \\ FSK(频移键控) \\ PSK(相移键控) \\ QAM(正交振幅调制)：调幅+调相 \\ \end{cases} \\ 模拟调制 \begin{cases}调幅(AM) \\ 调频(FM) \\ 调相(PM) \\ \end{cases} \\ \end{cases}$

三、物理层

3.1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

3.2四种特性

• 机械特性
• 电气特性
• 功能特性
• 过程特性

3.3奈氏准则和香农定理

奈氏准则：在理想条件下，码元传输的速率有上限值，否则就会出现码间串扰问题
$理想条件下的极限数据传输率 = 2W log_2^V（b/s）$

• W：信道带宽，单位HZ
• V：几种码元/码元的离散电平数目

香农定理的前身：在无噪声条件下，信道的极限信息传输速率C为：
$C = 2B log_2^M（bps）$

• B：信道带宽，单位HZ
• M：电平级数，即一个码元所取的离散值个数

信噪比：信号的平均功率S和噪声的平均功率N之比，常记为S/N或SNR，单位为分贝dB
$SNR = 10 × log_{10}^{(S/N)}（dB）$
香农定理：在带宽受限的有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值
$C = Wlog_2^{(1+S/N)}（b/s或bps）$

• C：信道的极限数据传输速率
• w：带宽，单位HZ
• S/N：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，则信息的极限传输速率就越高
　　　　　　　2.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
　　　　　　　3.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
　　　　　　　4.香农定理得出的为信道的极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少

3.4物理层传输介质

$传输介质 \begin{cases} 导向性传输介质 \begin{cases}双绞线 \begin{cases}屏蔽双绞线 \\ 非屏蔽双绞线 \end{cases} \\ 同轴电缆 \\ 光纤 \begin{cases}单模光纤 \\ 双模光纤 \end{cases} \\ \end{cases} \\ 非导向性传输介质 \begin{cases}无线电波 \\ 微波 \begin{cases}地面微波接力通信 \\ 卫星通信 \end{cases} \\ 红外线、激光 \end{cases} \end{cases}$

• 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
  • 双绞线：由两根采用一定规则并排绞合的、互相绝缘的铜导线组成。绞线可以减少对相邻导线的电磁干扰。
  • 同轴电缆：由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。通常将其分成两类：50Ω同轴电缆——LAN / 数字传输常用，又称为基带同轴电缆；75Ω同轴电缆——有线电视 / 模拟传输常用，又称为宽带同轴电缆。
  • 光纤：分为单模光纤——光纤的直径减小到只有一个光的波长，可以使光线一直向前传播，而不会产生多次反射；多模光纤——可以存在多条不同角度入射的光线在一条光纤中传输。
• 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

光纤的优点 : 1.通信容量非常大
　　　　　　2.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
　　　　　　3.抗雷电和电磁干扰性能好
　　　　　　4.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据
　　　　　　5.体积小，重量轻

四、信道复用技术

$信道复用技术 \begin{cases}频分多路复用　{\rm {FDM}} \\ 时分多路复用　{\rm {TDM}} \\ 波分多路复用　{\rm {WDM}} \\ 码分多路复用　{\rm {CDM}} \end{cases}$
码分多址是码分复用的一种形式。
1个比特分为多个码片，每一个站点被指定一个唯一的m位的码片序列。发送1时站点发送码片序列，发送0时，站点发送码片序列反码。
每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须相互正交。
两个不同站的码片序列正交，就是向量S和T的规格化内积等于0。
$S \bullet T ≡ \frac{1}{m} \sum_{i=1}^m S_i T_i = 0$

五、物理层设备

$物理层设备 \begin{cases}中继器 \\ 集线器 \end{cases}$

• 中继器：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。
• 集线器：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。