计网复习——物理层
1. 物理层的基本概念
- 物理层的主要任务:确定与传输介质的接口的一些特性
- 物理层涉及的四个特性:机械特性、电气特性、功能特性、过程特性
2. 数据通信的基础知识
2.1 数据通信系统的模型
若干术语和概念:
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信道(channel)一般表示向某一方向传送信息的介质
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通信的目的是传送消息(message),如语音、文字、图像等
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消息的实体是数据(data)
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信号(signal)是数据的电气的或电磁的表现。信号分为模拟信号和数字信号两大类
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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称为码元
- 码元速率:单位时间内通过信道的码元个数,单位为波特(band)
- 数据速率:单位时间内通过信道的信息量(比特数),单位b/s或bps
码元速率和数据速率两个不同的概念,对同一信道,仅当使用二进制编码时二者相等
2.2 有关信号的几个基本概念
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通信双方的交互方式
- 单向通信(单工通信,simplex):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,half-duplex):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,duplex):通信的双方可以同时发送和接收信息
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基带(baseband)信号和带通(band pass)信号
- 基带信号(即基本频带信号):来自信源的信号。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)。
- 带通信号:基带信号经过载波调制后,信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)
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最基本的二元制调制方法
- 调幅(AM):载波的振幅随基带数字信号而变化
- 调频(FM):载波的频率随基带数字信号而变化
- 调相(PM):载波的初始相位随基带数字信号而变化
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为了获得更高的传输速率,常采用多元制的混合调制方法,如振幅和相位相结合的正交振幅调制QAM(Quadrature Amplitude Modulation)
2.3 信道的极限容量
- 信号失真问题
- 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,在信道的输出端的波形的失真就越严重
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信道能够通过的频率范围
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一个信道所能通过的频率范围总是有限的,高频分量往往不能通过信道
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接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限,即“码间串扰”
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奈奎斯特(Nyquist)定理
理 想 低 通 信 道 最 大 数 据 传 输 率 = 2 H l o g 2 V ( b p s ) 理想低通信道最大数据传输率=2H log_2V (bps) 理想低通信道最大数据传输率=2Hlog2V(bps)
其中, H H H为信道带宽, V V V为信号电平的级数(状态数)- 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
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此处的信道带宽是模拟信道的带宽, H = f 2 − f 1 H=f2-f1 H=f2−f1。其中, f 1 f1 f1是信道能够通过的最低频率, f 2 f2 f2是信道能够通过的最高频率。
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信道的频带越宽,能够通过的信号高频分量越多,就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰
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信噪比
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信号的平均功率与噪声的平均功率之比,常记为 S / N S/N S/N,以分贝(dB)作为计量单位
信 噪 比 = 10 l o g 10 ( S / N ) 信噪比=10log_{10}(S/N) 信噪比=10log10(S/N) -
香农公式(考虑了噪声,奈奎斯特定理是理想情况,不考虑噪声)指出信道的极限信息传输速率 C C C可表达为
C = W l o g 2 ( 1 + S / N ) b / s C=Wlog_2(1+S/N)\ b/s C=Wlog2(1+S/N) b/s
其中, W W W为信道带宽(单位Hz), S S S为信道内所传信号的平均功率, N N N为信道内部的高斯噪声功率 -
香农公式表明: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
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3. 物理层下面的传输介质
- 传输介质:又称为传输媒体或传输媒介,指数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路
- 传输媒体分为导引型传输介质和非导引型传输介质
3.1 导引型传输介质
- 双绞线(twisted pair)
- 同轴电缆(coaxial cable)
- 光纤(fiber optics)
3.2 非导引型传输介质
- 短波通信
- 微波通信及卫星通信
- 地面微波通信
- 卫星通信
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