第二章 物理层

• 1. 通信基础
• • 1.1 物理层基本概念
  • 1.2 数据通信基础知识
  • 1.3 码元、波特、速率、带宽
  • 1.4 编码与调制
  • • 数字数据编码为数字信号
    • 数字数据调制为模拟信号
    • 模拟数据编码为数字信号
    • 模拟数据调制为模拟信号
  • 1.5 奈氏准则和香农定理⭐
  • • 奈氏准则（奈奎斯特定理）
    • 香农定理
    • 奈氏准则和香农定理
• 2. 物理层传输介质
• • 2.1 传输介质及分类
  • 2.2 导向性传输介质
  • 2.3 非导向性传输介质
• 3. 物理层设备
• • 3.1 中继器
  • 3.2 集线器（多口中继器）

1. 通信基础

1.1 物理层基本概念

• 物理层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，而不是指具体的传输媒体。

• 物理层主要任务：

  确定与传输媒体 接口 有关的一些特性 ----> 定义标准

  • 机械特性 ：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数模、引脚数量 和排列情况。

    

  • 电气特性 ：规定传输二进制位时，线路上信号的 电压范围、阻抗匹配、传输 速率 和 距离 限制等。

    eg：某网络在物理层规定，信号的电平用 +10V ~ +15V 表示二进制 0，用 -10V ~ -15V 表示二进制 1，电线长度限于 15m以内。

  • 功能特性 ：指明某条线上出现的某一 电平表示何种意义 ，接口部件的信号线的用途。

    eg：描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时。

  • 规程特性 ：（过程特性）定义各条物理线路的工作 规程和时序 关系。

 

1.2 数据通信基础知识

• 典型的数据通信模型

  

   

• 数据通信相关术语

  通信的目的是 传送消息

  • 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列.

  • 信号：数据的电气 / 电磁的表现，是数据在传输过程中的 存在形式.

    数字信号：代表消息的参数取值是离散的

    模拟信号：代表消息的参数取值是连续的

  • 信源：产生和发送数据的源头.

  • 信宿：接收数据的终点.

  • 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道.

    
     

• 三种通信方式

  从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

  1. 单工通信：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要 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，但任何一方都不能同时发送和接收，需要 两条 信道.
  3. 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要 两条 信道.
      

• 两种数据传输方式

  • 串行传输：速度 慢，费用 低，适合 远 距离
  • 并行传输：速度 快，费用 高，适合 近 距离 （用于计算机内部数据传输）

  
   

1.3 码元、波特、速率、带宽

• 码元：

  是指用一个 固定时长 的 信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为 k进制码元，而该时长称为 码元宽度。

  当码元的 离散状态有 M 个 时（M大于2），此时码元为 M进制码元。

  
   

• 速率：

  也叫数据率，是指数据 传输速率，表示单位时间内传输的数据量.

  可以用 码元传输速率 和 信息传输速率 表示.

  1. 码元传输速率（别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等）：

     它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称 脉冲个数 或 信号变化的次数）单位是 波特（Baud）。

     1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。

     

     上图中例子上下均为 5Baud  

  2. 信息传输速率（别名信息速率、比特率等）：

     表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是 比特 / 秒（b/s）。
     关系：若一个码元携带 n bit 的信息量，则 M Baud 的码元传输速率所对应的信息传输速率为 M×n bit/s 。
     

     上图例子：一个码元携带 2 bit信息量，假设1s可传 5 Baud ，即信息传输速率为 5×2=10 bit/s

• 带宽：

  表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的 “最高数据量”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是 bit/s.
   

• 总结：

  速率是实际上的发送速率

  带宽是理想中的发送速率

• 练习题

  
  （1）码元传输速率 2000 Baud.（8000/4=2000Baud）

  （2）信息传输速率 4000 bit/s.（四进制需要 2 bit，2000*log₂4=4000b/s）

  （3）码元传输速率 1200 Baud.（7200/6=1200Baud）

  （4）信息传输速率 4800 bit/s.（十六进制需要 4 bit，1200*log₂16=4800b/s）

  （5）系统传输速率 十六进制 更快

  系统传输的是 比特流，通常比较的是 信息传输速率，故 十六进制 码元的通信系统传输速率较快；如果用该系统去传输 四进制码元 会有更高的 码元传输速率。

  （第二个系统信息传输速率为 4800 b/s，若变为四进制码元，其码元传输速率变为 4800 / 2 = 2400 Baud，与第一个系统 2000 Baud比较，具有更高的码元传输速率）
   

1.4 编码与调制

• 基带信号与宽带信号：

  • 信道：

  信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道.

  

  • 信道上传送的信号

    

    • 在传输距离较近时，计算机网络采用 基带传输 方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）
    • 在传输距离较远时，计算机网络采用 宽带传输 方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）
       

• 编码与调制
  

数字数据编码为数字信号

以下图中例子二进制数据均为 1 0 0 1 1 0 1 0

1. 非归零编码【NRZ】 高1低0

   编码容易实现，但没有检错功能，无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方 难以保持同步。
   

   不常用 当发送方发送连续的1或连续的0是就无法区分是0还是1了，需要建立一个新的信道，发收双方确定好时钟周期

2. 归零编码【RZ】

   信号电平在一个码元之内都要恢复到零的编码方式。

   

   不常用

3. 反向不归零编码【NRZI】

   信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1.

   

   对于全1的数据会出现和非归零编码一样的问题  

4. 曼彻斯特编码

   将一个码元分成两个相等的间隔：根据要求定前高后低为1还是0，如

• 前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1；
• 前一个间隔为高电平后一个间隔为低电平表示码元0；

每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作 时钟信号（可用于同步(告诉接收方发送了几个数据)），又作 数据信号。

所占的 频带宽度是原始的基带宽度的两倍：

• 每一个码元被调成两个电平，数据传输速率只有调制速率的 1/2.

  （理解上，回顾码元的定义，此时1s（假设）内脉冲变化了2次，就是可以看作一个时钟周期内有2个码元，但是只有1个比特）

 

5. 差分曼彻斯特编码 同1异0

   常用于局域网传输，其规则是：

   • 若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；
   • 若为0，则相反.

   该编码的特点是：在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性 强 于曼彻斯特编码。

   

    

6. 4B/5B编码

   比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，即用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方。

   • 编码效率为 80% .

   • 4位码有 2 ⁴ = 16 种，5位码有 2 ⁵ = 32 种不同数据

     5位码中只采用对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等）或保留

   

 

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

• 调幅 0的时候没有振幅，1的时候有振幅

• 调频 0对应低频（比较稀疏），1对应高频（比较密集）

• 调相 0和1分别对应正弦波或者余弦波

一般将调幅和调相（QAM）结合起来考察：

解：

4种相位对应每种有4种振幅，共有 4 × 4 = 16 种情况，即 16 进制码元.

需要 log ₂ 16 = 4 位比特表示，即 4 bit 对应 1 码元.

波特率为 1200 Baud， 故信息传输速率为 1200 × 4 = 4800.

 

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）。

最典型的例子是对音频信号进行编码的脉冲调制（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。

1. 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。

   为使所得的离散信号能无失真地代表被抽样地模拟数据，要使用采样定理进行采样：f_采样频率 ≥ 2f_{信号最高频率}

   • 解释：

     

     图中 a 波的频率为 2 HZ，b 波的频率为 1 HZ.

     对于一个波有公式 y = A sin(ωt + Φ)，其频率ω已知，未知数只有 A、Φ，代入两组x,y即可确定波形.

     ● 若针对 b 波（低频率波）进行采样，在0和0.5s两个点采（或者最高点和最低点采，等），1s内采用2次（有1个波形），即采用频率为 2 HZ，但此时 a波 也经过这两个点，即区分不出是 a 还是 b。
     ● 若针对 a 波（高频率波）进行采样，在0和0.25s两个点采（或者最高点和最低点采，等），1s内采用4次（有2个波形），即采用频率为 4 HZ，此时可以分辨出不同波。

     因此采样频率要大于或等于信号的最高频率。

    

2. 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。

3. 编码：

   把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

 

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要 较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。

在电话机和本地交换机所传输的信号是采用 模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

 

1.5 奈氏准则和香农定理⭐

• 失真：

  有失真但可识别

  

  失真大无法识别

  

  • 影响失真程度的因素：

    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

  • 失真的一种现象——码间串扰

    

    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。（就是说码元传播太快了，接收端 “看” 不清了）
     

奈氏准则（奈奎斯特定理）

• 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。

  （在计网其他地方带宽的单位通常是 bit/s，但在 奈氏准则和香农定理中使用的公式带宽的单位是 HZ）

• 极限数据传输率：
  理 想 低 通 信 道 下 的 极 限 数 据 传 输 率 = 2 W l o g 2 V ( b / s ) 理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog_{2}V (b/s) 理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2​V(b/s)
  其中 W 为带宽 (Hz)，V 为几种码元/码元的离散电平数目

• 1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

• 例题：

  

  信号有 4 × 4 = 16 种变化，即码元有 16 种，即 V = 16，将V，W代入公式可得：

  最大数据传输率 = 2 × 3k × 4 = 24 kb/s.
   

香农定理

• 一些概念：

  • 噪声 存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。故 信噪比 就很重要。

  • 信噪比 = 信号 的平均功率 / 噪声 的平均功率，常记为 S/N，无单位，也可用 分贝（dB） 作为度量单位，即：
    信 噪 比 （ d B ） = 10 l o g 10 ( S / N ) 信噪比（dB）=10log_{10}(S/N) 信噪比（dB）=10log10​(S/N)
    S/N 和 dB 数值等价，类似于计数法中普通的计数和科学计数法一样的关系。

• 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。
  信 道 的 极 限 数 据 传 输 速 率 = W l o g 2 ( 1 + S / N ) ( b / s ) 信道的极限数据传输速率=Wlog_{2}(1+S/N)(b/s) 信道的极限数据传输速率=Wlog2​(1+S/N)(b/s)
  其中 W 为带宽 (Hz)，S/N 为信噪比（S是信道所传信号的平均速率，N是信道内的高斯噪声功率）

• 1. 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。
  2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
  3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现 无差错的传输 。
  4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
  5. 从香农定理可以看出，若相等带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

• 例题：

  

  电话系统是实际生活当中的系统，肯定存在噪声，使用香农定理的公式。先对单位进行换算，将 dB 换为 S/N，即：30 dB = 10log₁₀ (S/N)，则 S/N = 1000，代入公式得：

  信道得极限数据传输速率 = W log₂ (1+S/N) = 3000 × log₂ (1+1000) = 30 kb/s.
   

奈氏准则和香农定理

• 若题目只提供了 V 或者 信噪比，则选相应公式计算即可；
• 若题目 V 和 信噪比 都提供了，要把两个极限速率都算一下，然后取其更小的值。

 

例题：

• Nice：二进制信号即说明码元V为2，即 2 × 4000 × log₂2 = 8000 b/s
• 香农：4000 × log₂ (1+127) = 28000 b/s

 

2. 物理层传输介质

2.1 传输介质及分类

• 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受设备间的 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。

  

2.2 导向性传输介质

1. 双绞线

   双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由 两根 采用一定规则并排 绞合 的、相互绝缘的 铜导线 组成。

   绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。

   

   为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由 金属丝 编织成的屏蔽层，这就是 屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为 非屏蔽双绞线（UTP）。

   双绞线价格 便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。

   模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。

   距离太远时，对于 模拟传输 ，要用 放大器 放大衰减的信号；对于 数字传输，要用 中继器 将失真的信号整形。

    

2. 同轴电缆

   同轴电缆由 导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层 构成。

   按特性阻抗数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。

   ● 50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称 基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；
   ● 75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称 宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

   

    

   如：
    

• 同轴电缆 VS 双绞线

  由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆 抗干扰特性 比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其 传输距离 更远，但 价格 较双线较贵。

3. 光纤

   光纤通信是利用光导纤维（简称光纤）传递 光脉冲 来进行通信。

   有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是 10 ⁸ MHz，因此光纤通信系统的 带宽远远大于 目前其他各种传输媒体的带宽。

   

   光纤主要由 纤芯（实心的！） 和 包层 构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现 全反射，即光线碰到包层时就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

   

   ● 多模光纤 适合近距离

   

   ● 单模光纤

   
    
   

    

   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。

 

2.3 非导向性传输介质

 

3. 物理层设备

3.1 中继器

 

3.2 集线器（多口中继器）

 

标签：码元,信号,传输,王道,传输速率,信道,物理层,第二章
来源： https://blog.csdn.net/weixin_48434658/article/details/122659464