[Red informática] Capa física (Análisis detallado de súper gráficos múltiples)

prefacio

En el último número, hemos completado la red informática: descripción general y conocemos algunos contenidos básicos de la red informática. Si se lo perdió, le sugiero que vaya primero al número anterior.

Portal: [Red informática] Descripción general de las redes informáticas (superimágenes)

A continuación, comenzamos oficialmente a aprender la primera capa de la arquitectura principal: la capa física.

Conceptos básicos de la capa física

En la arquitectura principal que aprendimos antes, se divide en cinco capas. A continuación, aprendamos sobre la capa física en la arquitectura principal.

La capa física considera cómo hacerlo 在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流.

La capa física protege la diferencia de varios medios de transmisión para la capa de enlace de datos, de modo que la capa de enlace de datos solo necesita considerar cómo completar los protocolos y servicios de esta capa, sin considerar los medios de transmisión específicos de la red.

Hay muchos, muchos protocolos para la capa física, pero no son muy importantes.Para la capa física, solo necesitamos saber las tareas principales del protocolo de la capa física.

Las principales tareas del protocolo de capa física.

(1) Características mecánicas形状 : Indicar la suma 尺寸, 引脚数目suma y suma 排列de los conectores utilizados en la interfaz . (2) Características eléctricas : indique lo que aparece en cada línea del cable de interfaz . (3) Características funcionales : indica un determinado nivel que aparece en una determinada línea . (4) Características del proceso : indicar varias posibilidades para diferentes funciones .固定锁定装置
电压的范围
电压表示何种意义
事件的出现顺序

Medios de transmisión por debajo de la capa física

Los medios de transmisión se dividen en dos categorías: 引导型传输媒体y 非引导性传输媒体.

Medios de transmisión guiados

Los principales medios de transmisión son: 同轴电缆, 双绞线, 光纤, 电力线.

Medios de transmisión no guiados

Los medios de transmisión no guiados son: 无线电波, 微波, 红外线, 可见光.

Esta parte del contenido no es tan importante, todos pueden entenderlo.

método de transferencia

Modo de transmisión de datos是数据在信道上传送所采取的方式 : . Según el orden de transmisión de datos, se puede dividir en 并行传输y 串行传输; según el modo de sincronización de la transmisión de datos, se puede dividir en 同步传输y 异步传输; según la dirección del flujo y la relación temporal de la transmisión de datos, se puede dividir en 单工y .半双工全双工数据传输

transmisión en paralelo

Transmisión paralela : los datos se transmiten en grupos en dos o más canales paralelos al mismo tiempo.

Por ejemplo, con caracteres de código de 8 unidades, se pueden usar 8 canales para la transmisión en paralelo y un canal transmite un carácter a la vez. Por lo tanto, no se requieren medidas adicionales para lograr la sincronización de caracteres entre el emisor y el receptor. La desventaja es que hay muchos canales de transmisión, equipo complejo y alto costo, por lo que rara vez se usa.

transmisión en serie

Transmisión serial : es la transmisión de un flujo de datos en un canal de manera serial.

Este método es fácil de implementar. La desventaja es que para resolver la sincronización de grupos de códigos o caracteres entre el emisor y el receptor, se requieren medidas de sincronización adicionales .

Debido a que la transmisión en serie es más fácil de implementar y tiene un bajo costo, la transmisión en serie se usa más.

Según las características de la transmisión en serie y la transmisión en paralelo, en 远距离传输的时候我们一般使用串行传输, en 设备零件（比如：CPU与内存条之间）上一般使用并行传输.

Durante la transmisión en serie, las medidas tomadas por el extremo receptor para dividir correctamente los caracteres transmitidos del flujo de datos en serie se denominan sincronización de caracteres.Según las diferentes formas de realizar la sincronización de caracteres, existen dos formas de transmisión de datos: transmisión asíncrona y transmisión síncrona.

transmisión isócrona

Transmisión síncrona : Se 固定时钟节拍utiliza para enviar señales de datos.

En el flujo de datos en serie, las posiciones relativas de cada símbolo de señal son fijas y el receptor debe establecer la sincronización para distinguir correctamente los caracteres transmitidos del flujo de datos recibido .

El método de sincronización del reloj entre el emisor y el receptor:

(1) Sincronización externa : entre el emisor y el receptor 添加一条单独的时钟信号线.
(2) Intra-sincronización : transmitir 将时钟同步信号编码到发送数据juntos en el emisor (por ejemplo: codificación Manchester).

Transferencia asíncrona

Transmisión asíncrona : 每次传送一个字符代码(5 ~ 8 bits), agregue una señal de "inicio" delante de cada código de carácter enviado y agregue una señal de parada en la parte posterior.

Para tener cuidado con:

(1) 字节之间异步(el intervalo de tiempo entre bytes no es fijo)
(2) 字节中cada bit 仍然要同步(la duración de cada bit es la misma)

comunicación unidireccional

Transmisión de datos simplex : transmisión de datos entre dos estaciones de datos 只能沿一个指定的方向.

Comunicación alternativa bidireccional

Transmisión de datos semidúplex : la transmisión de datos se puede realizar en ambas direcciones entre dos estaciones de datos, pero no al mismo tiempo.

Comunicación simultánea bidireccional

Transmisión de datos dúplex completo : es entre dos estaciones de datos y se puede transmitir en ambas direcciones al mismo tiempo

Codificación y Modulación

Primero veamos el proceso de una computadora que transmite un mensaje (texto, imagen, audio, video):

queremos transmitir datos, pero los datos no se pueden transmitir directamente, deben convertirse en una señal, es decir, usamos un señal para representar los datos.

¿Cómo representan las señales los datos?

Esto utiliza nuestra codificación y modulación.

Codificación : 用数字信号transporta datos digitales o analógicos
Modulación : 用模拟信号transporta datos digitales o analógicos

Primero introduzca una unidad de código de concepto básico :

Al usar formas de onda en el dominio del tiempo para representar señales digitales, 代表不同离散数值的基本波形.

Puede verse que generalmente hay dos tipos de símbolos, que representan los bits 0 y 1, respectivamente, para representar datos.

Codificación común

Codificación sin retorno a cero

Como se muestra en la figura, la codificación sin retorno a cero significa que solo hay niveles positivos y negativos.

Pero la pregunta es, ¿cómo podemos juzgar la longitud de un símbolo si el nivel no salta?

Luego lo haremosSe necesita agregar una línea de transmisión adicional para transmitir la señal del reloj, y es el remitente y el receptor para lograr la sincronización.

Pero esto aumentará el costo Para las redes informáticas, preferimos usar este cable para transmitir datos que para transmitir relojes.

Codificación de retorno a cero La codificación

de retorno a cero agrega una codificación de cero a la codificación sin retorno a cero.

A lo que debemos prestar atención para la codificación de puesta a cero es:

(1) 每个码元传输结束之后都要“归零", por lo que el receptor solo necesita muestrear después de que la señal vuelve a cero, no 需要单独的时钟信号。
(2) De hecho, la codificación de retorno a cero es equivalente 把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内, que se denomina 自同步señal " ".
(3) La desventaja es: en la codificación de retorno a cero 大部分的数据带宽, se utilizan para transmitir "puesta a cero" y 浪费descartados.

Codificación

Manchester Codificación Manchester, 码元中间的跳转juzgamos los bits 0 y 1 según.

Es fácil saberlo a partir de la figura: el salto en el medio del símbolo representa tanto los datos como el reloj.

Codificación Manchester

diferencial En la codificación Manchester diferencial:

(1) 跳转仅表示时钟.
(2) Símbolos 开始处电平是否发生变化表示数据.

La codificación Manchester diferencial es menos variable que la codificación Manchester y es más adecuada para velocidades de transmisión más altas.

Métodos de modulación comunes

modulación básica

Los métodos básicos de modulación son: modulación de amplitud (AM), modulación de frecuencia (FM), modulación de fase (PM).

A es la amplitud, F es la frecuencia, P es la fase y M es la modulación.

Como se muestra en la figura:

De la figura, podemos verlo intuitivamente: si se usa el método de modulación básico, 1个码元只能包含1个比特信息.

¿Cómo hacer que 1 símbolo contenga más bits?

Podemos adoptar un enfoque de modulación híbrida.

Modulación híbrida

La modulación de relajación proviene 一次de 调制la frecuencia, la fase y la amplitud 多个因素.

Pero debido a que la frecuencia y la fase están relacionadas, es decir, la frecuencia es la tasa de cambio de fase a lo largo del tiempo. Solo uno de frecuencia y fase puede ser modulado a voluntad.

A menudo, la fase y la amplitud se pueden modular juntas, lo que se denomina 正交振幅调制QAM.

QAM-16:

(1) 12 tipos de fases.
(2) 1 o 2 amplitudes están disponibles para cada fase.

Presta atención aquí 每个码元代表4个比特. Y se adopta la relación correspondiente entre símbolos y 4 bits 格雷码(los símbolos adyacentes solo pueden diferir en un bit).

limitar la capacidad del canal

Cualquier canal real no es ideal y producirá varias distorsiones y varias interferencias al transmitir la señal.

Cuanto mayor sea la tasa de transmisión de símbolos, o mayor sea la distancia de transmisión de la señal, o peor sea la calidad del medio de transmisión, más grave será la distorsión de la forma de onda en el extremo de salida del canal.

factor de distorsión

(1) 码元传输速率
(2) 信号传输距离
(3) 噪音干扰
(4)传输媒体质量

Entonces, ¿cómo afectan estos factores?

Criterio de Nye

Criterio de pérdida: bajo las condiciones ideales asumidas, para evitar la diafonía entre símbolos, la tasa de transmisión de símbolos tiene un límite superior .

1. Velocidad máxima de transmisión de símbolos para un canal bajo ideal = 2 W Baudios = 2 W símbolos/seg.
2. Velocidad máxima de transmisión de símbolos para una comunicación de banda ideal = W Buad = W símbolos/seg.

W：信道带宽（单位：Hz） Band：波特，即码元/秒

La tasa de transmisión de símbolos también se denomina tasa de baudios, tasa de modulación, tasa de forma de onda o tasa de símbolos. Tiene alguna relación con el bitrate:

(1) Cuando 1 símbolo lleva solo 1 bit de información, la tasa de baudios (símbolo/s) y la tasa de bits (bit/s) están en la rama 是相等的.
(2) Cuando 1 símbolo lleva la cantidad de información de n bits, cuando la tasa de baudios se convierte a la tasa de bits, significa que es necesario 乘以n.

Para aumentar la tasa de transferencia de información (tasa de bits), debe establecerse 法使每一个码元能携带更多比特的信息量. Esto requiere pluralismo.

La tasa de símbolos más alta que el canal real puede transmitir es significativamente menor que el valor límite superior dado por el criterio de Nyle.

Kaoru Oficial

Fórmula de Shannon: La tasa de transferencia de información límite de un canal con ancho de banda limitado e interferencia de ruido gaussiano blanco es:
$$C=W\ast log2(1\_\_+S/N)$$

c: velocidad límite de transmisión de información del canal (unidad: b/s)
W: ancho de banda del canal (unidad: Hz)
S: potencia promedio de la información transmitida en el
canal N: potencia de ruido gaussiano en el canal
S/N: señal a -relación de ruido, use decibelios (dB) como unidad de medida

Cuanto mayor sea el ancho de banda del canal o la relación señal/ruido en el canal, mayor será la velocidad límite de transmisión de información.

La tasa de transmisión de información que se puede lograr en el canal real es mucho más baja que la tasa de transmisión límite de la fórmula. Esto se debe a que en el canal real, la señal también sufre otras deficiencias, como la atenuación de la señal y la distorsión durante la transmisión, que no se consideran en la fórmula de Shannon.

En el caso de un cierto ancho de banda del canal, según el criterio de Nye y la fórmula de Shannon, 提高信息的传输速率es necesario adoptar 多元制(un mejor método de modulación) y trabajar duro 提高信道中的信噪比.

Epílogo

Lo anterior es todo el contenido de la capa física, parte del contenido es un poco difícil, todos deben comprender los conocimientos básicos y memorizarlos. La persistencia en el pasado definitivamente valdrá la pena.

Esta columna se actualiza continuamente...