计算机网络（课堂笔记）——第2章 物理层

课本：计算机网络（第8版）谢希仁编著

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一、物理层的基本概念

1.基本概念

● 物理层考虑的是怎样才能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。
● 物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异

●用于物理层的协议也常称为物理层规程(procedure)。

2.物理层的主要任务

主要任务:确定与传输媒体的接口的一些特性。

●机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等。
● 电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
● 功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
● 过程特性:指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

二、数据通信基础知识

1.数据通信系统的模型

常用术语：

●数据(data)：运送消息的实体。
●信号(signal)：数据的电气的或电磁的表现。
●模拟信号(analogous signal)：代表消息的参数的取值是连续的。
●数字信号(digital signal)：代表消息的参数的取值是离散的。
●码元(code)：在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时,代表不同离散数值的基本波形。

2.有关信道的几个基本概念

●信道：一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
●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信息,但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
●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(即基本频带信号)：来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
●基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制(modulation)

调制分为两大类:
●基带调制：仅对基带信号的波形进行变换,使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码(coding)
●带通调制：使用载波(carrier)进行调制,把基带信号的频率范围搬移到较高的频段,并转换为模拟信号,这样就能够更好地在模拟信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)
● 带通信号：经过载波调制后的信号。

（1）常用编码方式

●不归零制：正电平代表 1,负电平代表 0。
●归零制：正脉冲代表 1,负脉冲代表 0。
●曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0,位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
● 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0,而位开始边界没有跳变代表 1。

（2）基本的带通调制方法

●基带信号往往包含有较多的低频成分,甚至有直流成分,而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。为了解决这一问题,就必须对基带信号进行调制(modulation)。
● 最基本的二元制调制方法有以下几种:
1.调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
2.调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
3.调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

3.信道的极限容量

●任何实际的信道都不是理想的,在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
● 码元传输的速率越高,或信号传输的距离越远,或传输媒体质量越差,在信道的输出端的波形的失真就越严重。

（1）信道能够通过的频率范围

在任何信道中,码元传输的速率是有上限的,否则就会出现码间串扰的问题,使接收端对码元的判决(即识别)成为不可能。如果信道的频带越宽,也就是能够通过的信号高频分量越多,那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

（2）信噪比

● 信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N,并用分贝(dB)作为度量单位。即:
信噪比(dB)=10 log10(S/N)(dB)
● 例如,当S/N=10时,信噪比为10dB,而当S/N=1000时,信噪比为30dB。

●1984年,香农(Shannon)用信息论的理论推导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(香农公式)。
● 信道的极限信息传输速率 C 可表达为：C = W log2(1+S/N) (bit/s)
其中：W 为信道的带宽(以 Hz 为单位)；S 为信道内所传信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。

注意：

● 对于频带宽度已确定的信道,如果信噪比不能再提高了,并且码元传输速率也达到了上限值,那么还有办法提高信息的传输速率。
●这就是:用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。