计算机网络4-详述物理层：通信基础、码元、奈式准则和香农定理、编码与调制、物理层传输介质和设备等

一、基本概念

1、物理层的两个任务

• 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（如何将数据放到链路上传输）
• 确定与传输媒体接口有关的特性

2、定义接口的特性

（1）机械特性：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

（2）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、距离限制等

（3）功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义

（4）规程特性：定义各条物理线路的工作规程和时序关系（过程特性）

二、典型的数据通信模型

1、相关术语

• 数字信号：表示离散的0101数字比特流序列
• 调制解调器：锚

       两种入网方式：锚和宽带式入网（没有锚）

• 模拟信号：连续的电信号
• 信道：信号的传输媒介

           根据传输信号分类：模拟信道--传送模拟信号；数字信道--传送数字信号

           根据传输介质：无线信道--利用空气和无线电波传输；有线信道--通过光纤、同轴电缆传输

2、数据通用模型

       

3、三种通信方式

（1）单工通信：只有单方向的通信，仅需一条信道

（2）半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方不饿能同时发送和接收，需两条信道

（3）双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，需两条信道

4、信道上的两种数据传输方式

（1）串行传输：速度慢、费用低（只需要一条线）、适合远距离

（2）并行传输：速度快、费用高、适合近距离（常用于计算机内部的传输）

                                  

三、码元及相关性能概念

1、什么是码元

•    一个固定时长的信号波形，不同离散数值的基本波形（代表波形中的横条，横条的长度代表时长）
• 数字通信中数字信号的计量单位（一个信号对应的是一个码元）
• 码元的离散状态有M个时，即有M种高低不同的信号波形，成为M进制码元。如二进制码元，只有0，1两种状态；四进制码元，有00，01，10，11四个状态

2、速率

（1）速率也称未数据率，指数据的传输速率

（2）传输速率指数据从一个主机到链路上的传送速度（在链路开端处）

         传播速率指数据从一个主机到另一个主机的传播速度（整个链路上，电磁波或光波的传播速率）

（3）码元传输速率

•  别名：码元速率、波形速率、调制速率、符号速率
• 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，也可称为脉冲个数或信号变化的次数
• 单位：波特（Baud）
• 1 Baud=1码元/s：每秒传输一个码元（码元可以是二进制的，也可以是多进制的）

（4）信息传输速率

• 别名：信息速率、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：比特/s（bit/s）
• 1b/s：每秒传输1个比特（一个二进制数）

（5）码元和比特换算关系

       一个码元携带n比特的信息量（n个二进制数表示一个码元）

      M波特的码元传输速率=M*n bit/s的信息传输速率

    如00，01，10，00 则2个二进制数代表一个码元，1秒可以传输5个码元，则

     5Baud=5*2b/s

（5）带宽：单位时间内从某一点到另一点所能通过的最高数据率（b/s）

四、奈式准则和香农定理

1、失真

• 发送信号波形在信道传输由于带宽受限、噪声、干扰等影响导致接收信号波形与发送波形不一致
• 影响失真的因素

（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

2、码间串扰--失真的一种现象

•  接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰的界限的现象
• 原因：信号震动的频率太快，接收端区别不出波形之间的差异
• 由于信号和码元是一一对应的，信号变化的速度快，即码元传输速率快，信号变化的频率对应码元传输的速率。

3、奈式准则--解决码间串扰问题

• 在理想低通条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W 波特（W是信道带宽）
• 理想低通条件：理想--信道是没有噪声的，没有电磁干扰；低通--指带宽受限，即低于带宽的才可以通过
• 信道带宽=可通过最高频率-最低频率
• 单位：Hz
• 实质：限制码元的最高传输速率为2W 波特
• 奈式准则的四个结论

（1）在任何信道种，码元传输的速率都是有上限的

（2）信道的频带越宽（w越大），则可以用更高的码元传输速率

（3）该准则限制了码元传输速率，但没有对信息传输速率限制

（4）要想提高数据的传输速率，可以使每个码元携带更多个比特的信息量，这需要采用多元制的调制方法（多进制码元）

•  奈式准则下极限数据传输率为

        

4、噪声

• 噪声会使接收端对码元的判决产生错误
• 噪声的影响使相对的，信号强，噪声影响相对较小，用信噪比衡量
• 信噪比（S/N）=信号的平均功率/噪声的平均功率
• 度量单位：分贝（dB）

         

5、香农定理--解决噪声影响

• 在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值
• 实质：限制了信道的最高数据传输速率

           

• 四个推论

（1）信道的带宽或信噪比越大，信息的极限传输速率越高

（2）传输带宽和信噪比一定，则信息传输速率的上限一定

（3）只要信息的传输速率<信道的极限传输速率，则一定能找到一种方法来实现无差错传输

（4）香农定理得到的极限信息传输速率是理想值，实际达到的传输速率要低不少

五、编码与调制

1、信号

（1）基带信号

• 将数字信号01直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输的信号
• 直接表达了要传输的信息的信号（比如声波）
• 特点：适合传输距离较近的；因为近距离衰减小，信号内容不易发生变化

（2）宽带信号

• 将基带信号进行调制之后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输的信号
• 通过载波调制，使信号仅在一段频率范围内能够通过信道
• 特点：适合传输距离较远的，因为虽然远距离衰减大，但信号变化大也能最后过滤出来基带信号

2、编码与调制

     数据---->数字信号-----编码

     数据---->模拟信号---- 调制

        

 3、数字数据编码为数字信号

• 非归零编码【NRZ】： 高1低0
• 归零编码：高1低0，但是电平在一个码元之内要恢复到0
• 反向不归零编码：首个高1低0，后面电平翻转表示0，不翻转表示1
• 曼切斯特编码：一个码元分成两个相等的间隔，由高变低表示1，由低变高表示0
• 差分曼切斯特编码：同1异0

           

• 4B/5B编码：4比特的数据用5比特数据编码，编码效率为80%

            

4、数字数据调制为模拟信号

• 调幅：1有幅度，0没有幅度
• 调频：1对应高频，0对应低频
• 调相：1一个波形，0一个波形
• 调幅+调相（QAM）

5、模拟数据编码为数字信号

  脉码调制（PCM）

• 抽样:f(采样频率)>=2f(信号最高频率)
• 量化：电平的复制转换为离散的数字量
• 编码：将量化的结果转换为对应的二进制编码

6、模拟数据调制为模拟信号

      常用于音频

      频分复用：将信号调制成高频的信号，不易受损

六、传输层传输介质和设备

1、导向性传输介质

• 双绞线（铜导线）---传电脉冲
• 同轴电缆（导体铜质芯线）---传电脉冲
• 光纤--传光脉冲

2、非导向性传输介质

• 无线电波：信号向所以方向传播
• 微波：信号固定方向传播
• 红外线、激光：信号固定方向传播

3、中继器

• 对信号进行再生和还原，对衰减信号进行放大，保持与原数据相同以增加信号传输的距离，延长网络长度
• 主要作用：再生数字信号

4、集线器（多口中继器）

• 对信号进行再生放大转发