计网物理层

物理层

物理层基本概念

定义

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，而不是具体的媒体

任务：定义标准

1. 机械特性：规格、接口形状、引线数目等
2. 电气特性：电压范围、速率、距离等
3. 功能特性：电平代表的意义
4. 规格特性：物理线路的工作规程和时序关系

三种通信方式

1. 单工通信： —> 一条信道
2. 半双工通信: <—> 两条信道
3. 全双工通信: <—> 两条信道

两种数据传输方式

1. 串行传输：单信道

速度慢，费用低，适合远距离

2. 并行传输：多信道

速度快，费用高，适合近距离

码元

指用一个固定时长的信号波形代表不同离散值的基本波形
该固定时长称为码元宽度
设固定时长内的信号的数量为K，该码元称为K进制码元

e.g. 二进制码元就0和1两个信号，用两个不同的电压就能表示出来
四进制码元有00,01,10,11四个信号，需要用4个不同的电压去表示，一个四进制码元能传输2个bit

速率、波特、带宽

数据的传输速率，单位时间内传输的数据量，分为码元传输速率和信息传输速率。

1. 码元传输速率
   单位时间内传输的码元的个数，单位波特（Baud），1波特表示每秒传输1个码元。码元的进制不影响码元的传输速率。另外，该速率也可以表示为脉冲个数或者信号变化的次数。
2. 信息传输速率
   单位时间内传输的二进制码元的个数，即比特数，单位bit/s,代表一秒传输多少个比特。如果一个码元携带n个比特的信息而码元的传输速率为M，那么信息传输速率就为M*n bit/s

带宽：单位也是bit/s,信息传输速率指实际的速度而带宽则是上限，也就是理想状态下的最大值

奈氏准则和香农定理

失真

信号的波形在传播过程中因为宽带受限、噪声、干扰等原因发生改变。

影响失真的因素

1. 码元的传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

码间串扰

接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

奈氏准则

在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，W是信道带宽，在两个准则中单位是Hz，其他情况下信道带宽的单位为b/s
理想低通信道下的极限数据传输率为：
2Wlog（2）V （b/s） 就根据上一部分的公式来推导的

关于奈氏准则的四个要点

1. 在任何信道中，码元传输的速率有上限
2. 信道的带宽越宽那么传输效率越高
3. 奈氏准则只给出马玉的传输速率，没有限制信息传输速率
4. 提高数据的传输速率可以通过使码元携带更多比特的信息量

香农定理

在所有的电子设备和通信信道中都会存在有噪声，噪声会影响接收端对码元的判断。但是噪声的影响是相对的，即如果信号比较强，那么噪声的影响相对较小，因此，信噪比就需要有一定的限制。
信噪比 = 信号的平均功率/噪声的平均功率，记为S/N，用分贝作为度量单位

信噪比（dB） = 10log(10)(S/N)
这里需要注意单位的转换

香农定理的定义为：在带宽受限而且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值
信道的极限数据传输速率：

W log(2)(1+S/N) （b/s）

香农定理的四个要点

1. 带宽或者信噪比越大，信息的极限传输速率越高
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率上限确定
3. 只要满足信息的传输速率低于极限信息传输速率，那么就能找到某种方法实现无差错的传输
4. 香农定理虽得出极限信息传输速率，但是实际应用中能达到的传输速率要更低

奈氏准则和香农定理区别

奈氏准则：无噪声条件下，处理码间串扰（内部）
香农定理：有噪声条件下，处理噪声（外部）
计算最大速率选取两个公式中最小的那个，因为两个都满足才能无差错地传输数据

编码与调制

基带信号和宽带信号

信道

信号的传输媒介，一般一条通信线路包含一个发送和一个接收信道。
信道可以通过两个标准去划分

1. 传输信号：模拟信道和数字信道

模拟信道传输模拟信号（连续），数字信道传输数字信号（离散）

2. 传输介质：无线信道和有限信道

在信道上传输的信号可以分为基带信号和宽带信号

1. 基带信号：将数字信号0/1用不同的电压去表示，送到数字信道上传输
2. 宽带信号：将基带信号进行调制后形成模拟信号，送到模拟信道上面传输

在传输距离较近时采用基带传输，距离较远时采用宽带传输

编码与调制

数据分为数字数据和模拟数据，将数据转化为数字信号称为编码，将数据转化为模拟信号称为调制

将数字数据编码为数据信号

1. 非归零编码

高电平1，低电平0，容易实现，没有检测功能，无法判断一个码元的开始和结束，难以保持同步

2. 曼彻斯特编码

一个码元分为两个相同的间隔，先高后低为1，先低后高为0。因为一个码元内有两次电平变化，所以数据传输速率只有调制速率的一半

3. 差分曼彻斯特编码

同1异0，抗干扰能力较强

4. 归零编码

信号电平在一个码元内都要恢复到0

5. 反向不归零编码

信号电平翻转表示0，不变表示1

6. 4B/5B编码

比特流中插入额外的比特打破一连串的0或者1，用5个比特来编码4个比特的数据，编码效率为80%
就5比特里16中状态来代表4比特的信息，剩下的16种作为控制码

将数字数据调制为模拟信号

在发送端将数字信号转化为模拟信号，在接收端将模拟信号转化为数字信号，分别对应调制和解调制过程。
调制的几种方法

1. 调幅ASK
2. 调频FSK
3. 调相PSK
4. 调幅+调相QAM

将模拟数据编码为数字信号

三个步骤

1. 抽样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得到的离散信号无失真地代表被抽样的模拟数据，要使得采样频率大于两倍的信号最高频率
2. 量化：把抽样取得的电平按照一定的幅值分级为对于的数字值并取整数。
3. 编码：把量化的结果转化为与之对应的二进制编码

将模拟数据调制为模拟信号

理论上按照模拟数据实际的波形就能传播，但是为了传输的有效性（传输距离更远、准确率更高），将模拟数据的频率提高再采用模拟信号传输。

传输介质

数据传输系统中在发送设备和接受设备之间的物理通路
传输介质不是物理层

分类

1. 导向类传输介质

1. 双绞线：价格便宜，传输距离10公里左右，数字和模拟都能传输
2. 同轴电缆：抗干扰能力强，传输距离比双绞线远
3. 光纤：带宽非常大，超低损耗，距离超远
   单模光纤距离远，多模光纤距离较短

2. 非导向性传输介质

1. 无线电波：所有方向，穿透力强
2. 微波：固定方向，数据率高
3. 红外线、激光

物理层设备

中继器

对信号进行再生和还原，将衰减信号放大，保持与原数据相同，延长传输距离

集线器（多口中继器）

将输入的信号进行再生放大，分享到其他非输入口的端口上，数据共享，类似广播。容易造成冲突（多个端口同时传入信息）