计算机网络基础系列（二）

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发布日期:   2023-06-01
文章字数:   1.2k
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第二章 物理层

物理层基本概念

  • 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流
  • 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，不必考虑网络具体的传输媒体是什么

数据通信相关术语

  • 数据 传送信息的实体
  • 信号 数据的电气或电磁表现，数据在传输过程中的存在形式
  • 码元
    • 用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位K进制数字，代表不同离散数值的基本波形，该时长内的信号叫k（即码元离散状态个数）进制码元，而该时长称为码元宽度；1码元可以携带若干比特的信息量
      • 例如：二进制码元，只有两种不同状态的码元，一种代表0，一种代表1；即1码元携带1比特信息
      • 4进制码元，则有四种不同状态，1码元携带2比特信息
      • X进制码元，则有X种不同状态，1码元携带log2X比特信息
  • 信源 产生和发送数据的源头
  • 信道 信号的传输媒介
  • 信宿 接收数据的终点
  • 基带信号 对应数字信号
  • 宽带信号 对应模拟信号
  • 速率 数据传输速率，单位时间内传输的数据量
    • 码元传输速率（波特率） 即一秒传输多少码元
      • 单位时间内数字通信系统传输的码元个数或脉冲个数或信号变化次数，单位为波特（Baud），码元速率与进制数无关
    • 信息传输速率（信息速率/比特率） 即一秒传输多少比特
      • 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），单位是比特每秒（b/s）
    • 两者数量关系
      • 若一码元携带n比特的信息量，则M波特率的码元传输速率对应信息传输速率为M*n b/s

传输介质

  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
  • 无线传输介质

传输方式

  • 串行传输与并行传输
  • 同步传输与异步传输
    • 同步：各字节间没有间隔
    • 异步：字节间存在间隔（不固定），但字节中的比特持续时间仍相同
  • 单工、半双工和全双工

编码与调制

把数据变换为数字信号的过程叫编码

把数据变换为模拟信号的过程叫调制

  1. 数字数据编码为数字信号

  • 归零编码（RZ）
    • 高电平为1，低电平为0，每个时钟周期中间均需要归零
  • 非归零编码（NRZ）
    • 高电平为1，低电平为0，无需归零，一个周期可全部用于传输数据
  • 曼彻斯特编码
    • 将码元分成两个相等的间隙，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示1，相反则表示0；也可以采用相反的规定
    • 每个码元中间都会出现电平的跳变，此跳变既可以作为时钟同步，也可以作为数据信号
    • 以太网使用的便是此编码
  • 差分曼彻斯特编码
    • 若码元为1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元电平一致；若为0，则相反
    • 每个码元中间都会出现跳变，可实现自同步，抗干扰性较好
    • 常用于局域网传输
  1. 数字数据调制为模拟信号

  • 幅移键控（ASK） 调幅（AM）
  • 频移键控（FSK） 调频（FM）
  • 相移键控（PSK） 调相（PM）
  • 正交振幅调制（QAM） 将ASK与PSK结合
  1. 模拟数据编码为数字信号
  • 采样
    • 对模拟信号进行周期性扫描，然后把时间上连续的信号变成时间上离散的信号
  • 量化
    • 将离散的信号根据一定标准转化成离散的数字
  • 编码
    • 把量化的结果转为与之对应的二进制编码
  1. 模拟数据调制为模拟信号

信道极限容量

  1. 奈氏准则

    $理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2Wlog2V$ (单位b/s)​

    • W为理想低通信道的带宽
    • V为每个码元离散电平的数目，即多少种不同的码元

  2. 香农定理

    $信道极限数据传输速率 = Wlog2(1+S/N)$ (单位b/s)​

    $信噪比 = 10log10(S/N)dB$

    • W为信道带宽
    • S为信道所传输信号的平均功率
    • N为信道内部的高斯噪声功率
    • S/N为信噪比

信道复用技术

  1. 频分复用(FDM)
  2. 时分复用(TDM)
  3. 波分复用(WDM)
  4. 码分复用(CDM)
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