【408 计算机网络】第二章 物理层 学习笔记

物理层

2.1 通信基础的基本概念

• 信源、信宿、信道、信号
• 码元、速率、波特
• 带宽

2.1.1 信源、信宿、信道、信号

一条物理线路通常包含两条信道，即 发送信道、接收信道。

数据：信息的实体

信源：信号的来源（数据发送方）

信宿：信号的归宿（数据接收方）

信号：数据的载体。可分为数字信号（信号值离散）和模拟信号（信号值连续）

2.1.2 码元

在一个“信号周期”内，有可能出现2种信号，每一种信号对应一个二进制数。每一个信号就是一个码元。可以把信号周期称为码元宽度。

比如说一个信号周期T内可能出现4种信号，那么每个信号就可以对应一个四进制数（2bit）：2V表示00；1V表示01；-1V表示10；-2V表示11。

数字信号表示如下：

每个信号周期可以传输更多的信息，也就是说，每个码元可以携带更多的信息。代价：需要加强信号功率，对信道的要求更高。

如果一个码元可能有n种状态，则称其为n进制码元。

模拟信号表示如下：

注意！！！码元和比特的关系：

如果一个周期可能出现K种信号，则:

如上述例子，可能出现了4种信号，那么1码元 = 2 bit。

2.1.3 速率、波特

• 波特率

  每秒传输几个码元，单位：码元/秒或者波特（Baud）

• 比特率

  每秒传输几个比特，单位：b/s或者bps

若一个码元携带n比特的信息量，则波特率M Baud对应的比特率为Mn b/s

2.1.4 带宽

带宽：某信道所能通过的“最高数据率”，单位bps

2.2 信道的极限容量

• 噪声
• 奈奎斯特定理：无噪声情况下的信道的极限波特率。
• 香农定理：有噪声情况下信道的极限比特率。

2.2.1 噪声

噪声会对信道产生干扰，影响信道的数据传输效果。

低于20Hz的频率称为次声，高于20000Hz的频率称为超声。人耳听觉的信道带=19980Hz

2.2.2 奈奎斯特定理(信道无噪声)

对于一个李箱低通信道（没有噪声，带宽有限的信道），W是信道的频率带宽（单位为Hz），K是一个周期中可能出现的K种信号。

极限波特率 = 2W Baud = 2Wlog₂ K b/s

插播一条：标下标用<sub></sub>

2.2.3 香农定理（信道有噪声）

对于一个有噪声、带宽有限的信道，W是信道的频率带宽（单位为Hz）

极限比特率 = Wlog₂(1+S/N) b/s

S/N信噪比=信号的功率/噪声的功率

信噪比越高，噪声对于数据传输的影响越小。

有的时候信噪比会很大，比如信噪比（无单位记法）=S/N=10000000000000000000，这样不好记录，我么采取如下的方式(分贝记法)表示信噪比：

信噪比 = 10log₁₀ S/N 单位为分贝（dB）

注意！！使用香农定理计算信道极限比特率的时候，信噪比应采用无单位记法！！怎么转化呢？假如已知分贝记法的信噪比为30 dB，则30=10log₁₀ S/N,最后得出无单位的信噪比为10³

2.2.4 奈奎斯特定理&香农定理

• 波特率太高，会导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元。
• 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释。
• 提升信道带宽、加强信号的功率、降低早上功率，都可以提供信道的极限比特率。

2.3 编码和调制

• 概念
• 常用的编码方式
• 常用的调制方法

2.3.1 概念

编码：二进制数据转化为数字信号的过程

解码：数字信号转化为二进制数据的过程

调制：二进制数据转化为模拟信号的过程

解调：模拟信号转化为二进制数据的过程

变换器：将二进制数据转化为信号

反转换器：将信号转化为二进制数据

有线网络适配器（编码-解码器）

光猫（调制-解调器）

2.3.2 常用的编码方式

五种（记住每种方式的缩写，可能会考！）

NRZI : Non-Return-to-Zero Inverted

• 不归零编码（NRZ）：低电平为0，高电平为1，中不变

• 归零编码（RZ）：低电平为0，高电平为1，中归0。可以让接收方感受到信号的边界，保持双方的节奏。
  

• 反向非归零编码（NRZI）：未跳变为1，跳变为0，中不变。

• 曼彻斯特编码 : 上跳表示0下跳表示1（或者下跳表示0上跳表示1）

• 差分曼彻斯特编码：跳0不跳1看起点，中必变（看起点的意思是起点跳了就表示第一个是0，没跳的话表示第一个是1）
  

	自同步能力	浪费带宽？	抗干扰能力
不归零编码	无	不	弱
归零编码	有	浪费	弱
反向非归零编码	若增加冗余位，可支持同步	一点点	弱
曼彻斯特编码	有	浪费	强
差分曼彻斯特编码	有	浪费	强强

这个地方要多做题

2.3.3 常用的调制方法

三种：

• 调幅AM（又叫幅移键控ASK）： 不同的幅度表示不同的信号值。

  若设置K个幅值，则1码元 = log₂K bit。比如说00、01、10、11可以使用0sin2x、1sin24、2sin2x、3sin2x表示。

• 调频FM（又叫频移键控FSK）：1和0的频率不同

  若设置K个频值，则1码元 = log₂K bit。与AM同理。比如说00、01、10、11可以使用sinx、 sin2x、sin3x、sin4x表示。

• 调相PM（又叫相移键控PSK）：1和0的相位不同

  与上述同理

基带信号：来自信源的数字信号，需要调制后才能在某些信道上进行传输。

• 正交幅度调制QAM（调幅AM和调相PM的结合）

  若设计m种幅值、n种相位，则可调制mn种信号，则 1码元 = log₂mn bit。QAM-16代表的是调制16种信号，1码元携带log₂16 = 4 bit 数据。

曼彻斯特编码是以太网中默认的编码方式哦！做题时可能作为一种隐藏条件！

2.4 传输介质

• 常用的传输介质
  • 导向型：双绞线、同轴电缆、光纤
  • 非导向型：无线传输介质
• 物理层接口的特性

2.4.1 常用的传输介质-导向型

双绞线：

同轴电缆：

内导体越粗、电阻越低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长。

光纤：

以太网对于有限传输介质的命名规则：

速度 + Base + 介质信息

例如10Base5 ：10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m。

例如10BaseF*：其它的如上述，F代表光纤，*代表其它信息。后面要是跟T，代表的是双绞线。

2.4.2 常用的传输介质-非导向型

这些本质上都是电磁波。

• 电磁波频率、波长呈反比关系

• 频率越高，数据传输能力越强。

• 波长越短，信号指向性越强，信号越趋于直线传播。

• 波长越长，“绕射性”约好，也就是信号“穿墙”能力越强。

  小结：长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、告诉通信，若用于长距离通信需建立中继站；短波信号指向性强，要求信号接收器“对准”信号源。

2.4.3 物理层接口的特性

2.5 物理层设备

• 中继器
• 集线器

2.5.1 中继器

传输距离过长时，数字信号会失真。

为避免这个问题，我们使用中继器。 只要信号别失真太严重，中继器会对信号进行整形再生，然后发送到下一段线路上。

中继器仅支持半双工通信（两端连接的结点不可同时发送数据，会导致“冲突”）。

中继器的两个端口对应两个“网段”。

2.5.2 集线器

本质上时多端口中继器。集线器将其中一个端口接受到的信号整形再生后，转发到所有其他端口

各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致冲突。

集线器的N个端口对应N个"网段"，各网段属于同一个“冲突域”。

处于同于冲突域的主机在发送数据前需要进行“信道争用”。集线器不能隔离冲突域。

冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”，则这两天主机处于同一个“冲突域”。

2.5.3 集线器、中继器的一些特征

小结

物理层知识点总结
计算方面要多做一些题

原文地址：https://blog.csdn.net/weixin_46568275/article/details/144806978

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