計算機網絡原理第二章——物理層

一、數據通信的基礎知識

1.1典型的數據通信模型

$源系統 \Longrightarrow 傳輸系統 \Longrightarrow 目的系統$

1.2數據通信的相關術語

$信號 \begin{cases} 模擬信號 \begin{cases}頻率：描述信號隨着時間改變的速率 \\ 幅度：描述信號的強度 \\ 相位：描述波形相對時間0的位置 \end{cases}\\ 數字信號—碼元：用時域的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形 \end{cases}$

• 信號：數據的電氣或電磁表現
• 模擬信號：代表消息參數的取值是連續的
• 數字信號：代表消息參數的取值是離散的
• 比特率：是單位時間內傳輸了多少位比特，單位是bit/s
• 波特率：是每秒傳輸的信號單元的數量，並且一個信號單元能夠表示一個或多個比特。
• 比特率 = 波特率 * (一個信號單元)幾位

1.3三種通信方式

• 單工通信：只有一個方向的通信但是沒有反方向的交互，僅需要一條信道
• 半雙工通信：通信的雙方都可以發送或接收信息，但任何一方都不能同時發送和接收，需要兩條信道
• 全雙工通信：通信雙方可以同時發送和接收信息，也需要兩條信道

1.4傳輸數據的兩種同步方式

• 異步傳輸：規則少，想發送就發送
• 同步傳輸：規則多，允許發送時才能發送信息

二、編碼與調製

2.1信號

信道的定義：信號的傳輸媒介。一般用來表示向某一個方向傳送信息的介質。
信道上傳送的信號：

• 基帶信號：將數字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示，再送到數字信道上去傳輸（基帶傳輸）。
• 寬帶信號：將基帶信號進行調製後形成的頻分複用模擬信號，再傳送到模擬信道上去傳輸（寬帶傳輸）。

2.2編碼

$編碼 \begin{cases}數字數據編碼爲數字信號 \begin{cases}非歸零編碼【NRZ】：高1低0\\ 反向不歸零編碼【NRZI】：信號電平翻轉表示0，不變表示1\\ 曼徹斯特編碼：一個碼元內電平從高到低表示1，從低到高表示0 \\ 差分曼徹斯特編碼：位開始邊界有跳變表示0，無跳變表示1 \\ 4B/5B編碼：用五個比特來編碼4個比特的數據，以此打破一連串0或1 \end{cases}\\ 模擬數據編碼爲數字信號—PCM脈碼調製 \end{cases}$

2.3調製

$調製 \begin{cases}數字調製 \begin{cases}ASK(幅移鍵控) \\ FSK(頻移鍵控) \\ PSK(相移鍵控) \\ QAM(正交振幅調製)：調幅+調相 \\ \end{cases} \\ 模擬調製 \begin{cases}調幅(AM) \\ 調頻(FM) \\ 調相(PM) \\ \end{cases} \\ \end{cases}$

三、物理層

3.1基本概念

物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流，而不是指具體的傳輸媒體。
物理層主要任務：確定與傳輸媒體接口有關的一些特性–>定義標準

3.2四種特性

• 機械特性
• 電氣特性
• 功能特性
• 過程特性

3.3奈氏準則和香農定理

奈氏準則：在理想條件下，碼元傳輸的速率有上限值，否則就會出現碼間串擾問題
$理想條件下的極限數據傳輸率 = 2W log_2^V（b/s）$

• W：信道帶寬，單位HZ
• V：幾種碼元/碼元的離散電平數目

香農定理的前身：在無噪聲條件下，信道的極限信息傳輸速率C爲：
$C = 2B log_2^M（bps）$

• B：信道帶寬，單位HZ
• M：電平級數，即一個碼元所取的離散值個數

信噪比：信號的平均功率S和噪聲的平均功率N之比，常記爲S/N或SNR，單位爲分貝dB
$SNR = 10 × log_{10}^{(S/N)}（dB）$
香農定理：在帶寬受限的有噪聲的信道中，爲了不產生誤差，信息的數據傳輸速率有上限值
$C = Wlog_2^{(1+S/N)}（b/s或bps）$

• C：信道的極限數據傳輸速率
• w：帶寬，單位HZ
• S/N：信噪比

香農公式表明 : 1.信道的帶寬或信道中的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高
　　　　　　　2.對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限就確定了
　　　　　　　3.只要信息的傳輸速率低於信道的極限傳輸速率，就一定能找到某種方法來實現無差錯的傳輸
　　　　　　　4.香農定理得出的爲信道的極限信息傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少

3.4物理層傳輸介質

$傳輸介質 \begin{cases} 導向性傳輸介質 \begin{cases}雙絞線 \begin{cases}屏蔽雙絞線 \\ 非屏蔽雙絞線 \end{cases} \\ 同軸電纜 \\ 光纖 \begin{cases}單模光纖 \\ 雙模光纖 \end{cases} \\ \end{cases} \\ 非導向性傳輸介質 \begin{cases}無線電波 \\ 微波 \begin{cases}地面微波接力通信 \\ 衛星通信 \end{cases} \\ 紅外線、激光 \end{cases} \end{cases}$

• 導向性傳輸介質：電磁波被導向沿着固體媒介（銅線/光纖）傳播
  • 雙絞線：由兩根採用一定規則並排絞合的、互相絕緣的銅導線組成。絞線可以減少對相鄰導線的電磁干擾。
  • 同軸電纜：由導體銅質芯線、絕緣層、網狀編織屏蔽層和塑料外層構成。通常將其分成兩類：50Ω同軸電纜——LAN / 數字傳輸常用，又稱爲基帶同軸電纜；75Ω同軸電纜——有線電視 / 模擬傳輸常用，又稱爲寬帶同軸電纜。
  • 光纖：分爲單模光纖——光纖的直徑減小到只有一個光的波長，可以使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射；多模光纖——可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。
• 非導向性傳輸介質：自由空間，介質可以是空氣、真空、海水等。

光纖的優點 : 1.通信容量非常大
　　　　　　2.傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟
　　　　　　3.抗雷電和電磁干擾性能好
　　　　　　4.無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數據
　　　　　　5.體積小，重量輕

四、信道複用技術

$信道複用技術 \begin{cases}頻分多路複用　{\rm {FDM}} \\ 時分多路複用　{\rm {TDM}} \\ 波分多路複用　{\rm {WDM}} \\ 碼分多路複用　{\rm {CDM}} \end{cases}$
碼分多址是碼分複用的一種形式。
1個比特分爲多個碼片，每一個站點被指定一個唯一的m位的碼片序列。發送1時站點發送碼片序列，發送0時，站點發送碼片序列反碼。
每個站分配的碼片序列不僅必須各不相同，並且還必須相互正交。
兩個不同站的碼片序列正交，就是向量S和T的規格化內積等於0。
$S \bullet T ≡ \frac{1}{m} \sum_{i=1}^m S_i T_i = 0$

五、物理層設備

$物理層設備 \begin{cases}中繼器 \\ 集線器 \end{cases}$

• 中繼器：對信號進行再生和還原，對衰減的信號進行放大，保持與原數據相同，以增加信號傳輸的距離，延長網絡的長度。
• 集線器：對信號進行再生放大轉發，對衰減的信號進行放大，接着轉發到其他所有（除輸入端口外）處於工作狀態的端口上，以增加信號傳輸的距離，延長網絡的長度。