第二章物理层

又胖了十斤

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分类专栏：计算机网络文章标签：计算机网络

于 2023-04-16 19:34:52 首次发布

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第二章物理层

2.1物理层的基本服务功能

物理层处于OSI参考模型的最底层，他向数据链路层提供比特流传输服务。
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？
对于物理层有很多很多协议，不过我们只需要知道物理层协议的主要任务即可。
物理层协议的主要任务：
- 机械特性：指明接口所用的接线器的形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置。
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围。
- 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
- 过程特性：指明对不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2物理层下面的传输介质

传输介质介绍

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。

但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。
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导向型传输介质
双绞线

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同轴电缆

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光纤
- 光纤的特点:
  - 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。
  - 抗雷电和电磁干扰性能好。
  - 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
  - 体积小，重量轻。

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非导向性传输介质

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小结
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2.3传输方式

数据传输方式：是数据在信道上传送所采取的方式。若按数据传输的顺序可以分为并行传输和串行传输；若按数据传输的同步方式可分为同步传输和异步传输；若按数据传输的流向和时间关系可以分为单工、半双工和全双工数据传输
- 并行传输：将数据以成组的方式在两条以上的并行信道上同时传输。
  - 采用8单位代码字符可以用8条信道并行传输，一条信道一次传送一个字符。因此不需要另外措施就实现了手法双方的字符同步。缺点是传输信道多，设备复杂，成本较高，故较少采用。
- 串行传输：是数据流以串行的方式在一条信道上传输。
  - 该方法易于实现。缺点是：要解决收、发双方码组或字符的同步，需外加同步措施。
  - 因为串行传输比较容易实现，而且成本低，所以串行传输采用较多。
  - 根据串行传输与并行传输的特点，在远距离传输的时候我们一般采用串行传输，在设备零件（比如：CPU和内存条之间）上一般采用并行传输。

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同步传输：以固定时钟节拍来发送数据信号。
- 在串行数据流中，各信号码元之间的相对位置都是固定的，接收端要从收到的数据流中正确区分发送的字符，必须建立同步。收发双方时钟同步的方法
  - 外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
  - 内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据一起传输（例如：曼切斯特编号）
异步传输：每次传送一个字符代码（5-8bit），在发送每一个字符代码的前面均加上一个“起”信号，后面均价一个止信号。
- 注意：
  - 字节之间异步（字节之间的时间间隔不固定）
  - 字节中的每个比特仍然要同步（各比特的持续时间是相同的）

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单工数据传输：两数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。
半双工数据传输：是两数据站之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行。
全双工数据传输：是两数据站之间可以在两个方向上进行数据传输，且能同时进行。

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2.4编码和调制

编码：用数字信号承载数字或模拟数据
调制：用模拟信号承载数字或模拟数据

2.4.1常用编码

不归零编码

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如图可见不归零编码就是只有正电平与负电平。
但是问题来了，如果电平不进行跳转我们怎么判断一个码元的长度呢？
这时候我们就需要添加额外的一根传输线来传输时钟信号，是发送和接受双方来实现同步。
但是这样会加大成本开销的，对于计算机网络，我们宁愿利用这条线来传送数据而不是传输时钟。
归零编码

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归零编码较不归零编码就添加了一个零编码。
对于归零编码我们要注意的是：
- 每个码元传输结束之后都要“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。
- 实际上，归零编码相当于把时钟信号用“归零”方式编码在了数据之内，这称为“自同步”信号。
- 缺点是：归零编码中的大部分的数据带宽，都用来传输“归零”而浪费掉了。
曼彻斯特编码

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曼彻斯特编码，我们是根据码元中间的跳转来判断比特0与1的。
由图易知：码元中间时刻的跳转即表示数据，又表示时钟。
差分曼彻斯特编码
- 跳转仅表示时钟。
- 码元开始处电平是否发生变化表示数据。
- 差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。

2.4.2常见调制方法

基本调制：
- 基本调制方法有：调幅（AM），调频（FM），调相（PM）。
- A是振幅，F是频率，P是相位，M是调制的意思。

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从图我们很直观的就可以看到：如果使用基本调制方法，1个码元只能包含1个比特信息。
如何让能使1个码元包含更多的比特呢？
我们可以采用混合调制的方法。
- 混和调制就是一次来调制频率，相位，振幅中的多个因素。
但是又因为频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率。随意只能调制频率和相位中的一个。
通常情况下，相位和振幅可以合起来一起调制，称为正交振幅调制QAM。
QAM-16：
- 12种相位。
- 每种相位有1或2种振幅可选。
- 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4比特；
- 码元与4个比特的对应关系采用格雷码，任意两个相邻码元只有一个比特不同

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2.4.3模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)。
最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步:抽样、量化、编码。
- 抽样: 对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样: f采样频率>= 2f信号最高频率
- 量化: 把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
- 编码: 把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

2.5信道的极限容量

2.5.1信道的极限容量

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，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

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失真因素
- 码元传输速率
- 信号传输距离
- 噪音干扰
- 传输媒体质量

2.5.2奈氏准则

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，单位是Hz。

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在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
信道的频带越宽( 即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法。

结论：

理想低信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/秒。
理想带通信的最高码元传输速率 = W Buad = W 码元/秒。
W：信道带宽（单位：Hz） Band：波特，即码元/秒
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：

（1）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）在树枝上是相等的。
（2）当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换为比特率时，是指就要乘以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。

2.5.3香农定理

**香农定理:**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。

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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：信道内所传信息的平均功率
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
信道带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
在实际信道上能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，如信号在传输中的衰弱和失真等，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。