408计网——2.物理层

通信基础

物理层基本概念

物理层接口特性

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

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准

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

规定传输二进制时，线路上信号的电压范围，阻抗匹配、传输速率和距离限制
功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
规程特性

定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信基础知识

数据

传送信息的实体
数据传输
1. 串行传输
  
  1比特1比特地按照时间顺序传输
  
  速度慢，费用低，适合远距离
2. 并行传输
  
  若干比特通过多条通信信道同时传输
  
  通常适用于计算机内部数据传输
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
- 基带信号
  
  数字信号1和0直接用不同电压表示，发送到数字信道传输（基带传输）
- 宽带信号
  
  基带信号进行调制后形成频分复用模拟信号，送到模拟信道传输（宽带传输）
信源

产生或发出数据的源头
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收信道
- 数字信道（离散信号）
  
  消息参数取值离散，传输数字信号
- 模拟信道（连续信号）
  
  消息参数取值连续，传输模拟信号
- 有线信道
码元

在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就称为码元

二进制编码时，码元只有0和1

4进制码元——码元离散状态4个——4种高低不同的信号波形00、01、10、11

码元信息量由调制方式和编码方式决定
通信方式
1. 单工
  
  单向通信，只能有一个方向的通信而没有反方向
  
  有线，无线电广播
2. 半双工
  
  双向交替通信，不能同时
  
  一发一收
3. 全双工
  
  双向同时通信
  
  单工通信需要一条信道，而半双工通信和全双工通信需要两条信道
速率&波特
1. 码元传输速率（波特率）
  
  =码元速率=波形速率=符号速率=调制速率
  
  每秒可能发生的信号变化次数 或
  
  单位时间所传输的码元个数（也可以称为脉冲个数或信号变化的次数）
  
  单位波特（Baud）
2. 信息传输速率（比特率）
  
  表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位：b/s（Mbps，bps，Gbps）
带宽

网络中通信线路所能传输数据的能力，最高数据率，单位b/s

信道的极限容量

失真

影响失真程度的因素
1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

码元传输速率越大、信号传输距离越远、噪声干扰越大、或传输媒体质量越差，波形失真越严重

信道带宽：信道能通过的最高频率和最低频率之差，信道所能通过的频率范围有限

码间串扰：接收端收到的信号波形失去码元之间清晰界限的现象

奈奎斯定理

奈氏准则：在理想低通（无噪声、带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为

$$ 理想低通信道极限码元传输速率=2W \ \ 波特 $$

W为信道带宽，单位是HZ

$$ 理想低通信道极限数据传输速率=2W\log_2{V} \ \ b/s $$

V为码元离散电平数量

带宽只在奈氏准则和香农定理中是HZ

任何信道，码元传输速率是有上限的，超过这个上限，出现严重的码间串扰问题，接收端不可能对码元的判决（识别）成功
信道的频带越宽（即能够通过的信号高频分量越多），则码元传输速率更高且不发生码间串扰
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

香农定理

噪声会使接收端对码元的判决产生错误，信号强则噪声影响相对小

信噪比： 信号的平均功率与噪音的平均功率之比，$\text{信噪比 }=10\mathrm{log}_{10}(S/N) \ \ 单位dB$

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

$$ \text{信道的极限数据传输速率}=W\log_2(1+S/N)\quad\text{(单位为 b/s)} $$

W带宽，单位：Hz，S/N是信噪比

信道带宽或信道信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高
一定传输带宽和一定信噪比，信息传输速率的上限确定
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传输
香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到要低

奈氏考虑带宽和极限码元传输速率关系

香农考虑带宽和信噪比

从侧面表明码元对应二进制位数有限制

编码与调制

数字数据编码为数字信号

非归零编码

正电平为1，负电平为0

没有检错功能，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

需要另建立信道传输时钟周期信号保证同步，且只有非归零编码自身不传输同步信息
归零编码

波动1，不变0

低电平的情况多，信道利用率低
反向非归零编码

相对上一个信号，翻转0，不变1

对于全部是1的信号同样难以确认一共发送了多少个信号
曼彻斯特编码

前高后低1，前低后高0

每一个码元的中间出现电平跳变，跳变既作为时钟信号（可用于同步），又作为数据信号

频带宽度是原始的基带宽度的两倍，每个码元都被调成两个电平，数据传输速率只有调制速率的1/2
即电平变化两次只传输了一位比特
差分曼彻斯特编码

码元为1，前半与上一个相同，为0，则相反

数据由码元开始处决定，开始处无变化1，开始处有变化0

每个码元中间都有一次电平的跳转，仅表示时钟信号，且抗干扰强于曼彻斯特编码

模拟数据编码为数字信号

声音源信息是连续的模拟信号，计算机处理数字音频，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）

采样

对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
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

量化的结果转换为与之对应的二进制编码、

采样定理（奈奎斯特定理）： 假设原始信号最大频率为f，则采样率f_采样必须大于等于最大频率f的两倍，才能保证数字信号完整保留模拟信号信息

数字数据调制为模拟信号

调幅AM（幅移键控ASK） ：即戴波的振幅随基带数字信号而变化。如0或1分别对应无载波或有载波输出
调频FM（频移键控FSK） ：即戴波的频率随基带数字信号而变化。如0或1分别对应低频或高频
调相PM（相移键控PSK） ：即戴波的初相随基带数字信号而变化。如0或1分别对应正弦波或余弦波

正交振幅调制QAM（调频 + 调相） ：频率相同前提下，将AM与PM叠加
设波特率为 B，采用 m 个相位，每个相位有 n 种振幅，则该 QAM 的数据传输速率R为

$$ R=B\mathrm{log}_2(mn)\quad\text{(单位为 b/s)} $$

模拟数据调制为模拟信号

为了传输有效性可能需要较高频率

使用频分复用技术FDM，充分利用带宽资源

电话机和本地交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的