计算机网络 第二章 物理层

目录

前言

一、传输媒体

二、传输方式

三、编码与调制

四、信道的极限容量

1、奈氏准则

2、香农公式

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前言

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。物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

一、传输媒体

导引型传输媒体：双绞线、同轴电缆、光纤（多模光纤、单模光纤）、电力线。

非导引型传输媒体：无线电波、微波、红外线、可见光。

二、传输方式

可以分为三种不同的分类方式，如下：

串行传输：一次发送一个比特。

并行传输：一次发送n个比特，在发送端和接收端需要n条传输线路。

同步传输：数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有问隔。

异步传输：以字节为独立单位。

单向通信（单工）

双向交替通信（半双工）

双向同时通信（全双工）

三、编码与调制

不归零编码：存在同步问题，整个码元时间内电平不发生变化，需要额外的传输线来传输时钟信号。

归零编码：自同步，编码效率低，每个码元传输结束后信号都要“归零”。所以接收方只要在信号归零后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。

曼彻斯特编码：传统以太网10Mb/s，码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。正/负跳变表示1/0可以自行定义。

差分曼彻斯特编码：比曼彻斯特编码变化少，更适合较高传输速率，跳变仅表示时钟，码元开始处电平是否发生变化表示数据。发生变化表示0，不发生变化表示1。

基本调制：调幅AM、调频FM、调相PM。

四、信道的极限容量

1、奈氏准则

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W码元/秒（Baud：波特，即码元/秒）。

理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W码元/秒 （W：信道带宽，单位为Hz）。

码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系：当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的；当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n。要提高信息传输速率（比特率）， 就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。

实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。

2、香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

C：信道的极限信息传输速率(单位: b/s)
W：信道带宽(单位: Hz)
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝(dB) 作为度量单位

信噪比（dB）= （dB）

信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。

在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制(更好的调制方法)和努力提高信道中的信噪比。

自从香农公式发表后， 各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。