2021研面准备 -- 计算机网络知识点整理（二）物理层

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第二章 物理层

一、物理层的基本概念

• 物理层的主要任务
   确定与物理传输媒体的接口特性，考虑如何在连接各种计算机的传输媒体上进行数据比特流的传输，而不是指具体的传输媒体。即物理层的作用是尽可能屏蔽掉硬件设备、传输媒体和通信手段的种类差异，便于数据链路层专注于本层的协议和服务。
   除此之外，物理层还要完成传输方式的转换（比如串行传输与并行传输之间的转换）。

• 物理层确定传输媒体的接口特性

  • 机械特性：接口集线器的形状、尺寸、引脚数目、排列、固定和锁定装置等；
  • 电气特性：接口电缆的电压范围等；
  • 功能特性：某条线上的某一电平电压的意义等；
  • 过程特性：不同功能的各种可能事件的出现顺序等。

二、数据通信的基础知识

• 通信的信息交互方式

  • 单向通信（单工通信）： 仅单方向的通信。如无线/有线电广播、电视广播等。
  • 双向交替通信（半双工通信）：双方可交替通信。对讲机？
  • 双向同时通信（全双工通信）：双方可同时通信，效率最高。电话、视频聊天等。

• 信号的传输过程

• 基带信号(Base band):
   即基本频带信号，指的是从0到某个截止频率的信号，如计算机输出的代表文字或图像的数据信号。一般用于有线介质。

• 带通信号（Band pass）：经过载波调制后的信号称为带通信号，即仅在一段频率范围内能够通过信道。一般用于无线介质。

• 基带信号调制

  • 基带调制（编码）
    【1】不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
    【2】归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
    【3】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；也可反过来定义。发送时钟频率为基带信号频率的 2 倍，时钟信号与基带信号作异或运算。
    【4】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，位开始边界没有跳变代表1。

• 带通调制基本方法
  • 调幅（Amplitude Modulation，AM）：载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(Frequency Modulation，FM)：载波的频率随基带数字信号而变化；如 0 或 1 分别对应频率 $f_1$ 或 $f_2$ ；
  • 调相(Phase Modulation，PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化；如 0 或 1 分别对应于相位 0 度或 180 度。

• 码间串扰
   信号在信道中传输时，由于高频分量衰减而出现的前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，导致码元之间的界限不再清晰的一种现象。（可以借由傅里叶级数逼近矩形波过程进行想象，高频丢失会导致信号跳变边缘变得平缓）

• 奈氏准则
   在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。

• 信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）
  【定义】信号与噪声的平均功率之比，记作 $\frac{S}{N}$。
  【单位】常用分贝（dB）。
  【计算公式】$$信噪比=10{\log }_{10}\frac{S}{N}(dB)$$

• 信道信息传输极限速率（香农公式）
  【计算公式】 C = W log ⁡ 2 （ 1 + S N ） ( b i t / s ) W ： 信 道 带