计算机网络——物理层

目录

物理层的基本概念

物理层需要考虑的问题

与传输媒体的接口特性

数据通信系统的模型

几个常用术语

编码与调制

基本调制方法

常用的编码方式

基带传输与频带传输

信道的极限容量

奈氏准则

如何使一个码元能够携带更多的信息量

多元制不能无限提高信息传输速率

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物理层的基本概念

1、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。

2、计算机网络中的硬件设备和传输媒体的种类繁多，通信手段多样。

3、物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异。

物理层需要考虑的问题

传输媒体的类型

规定传输媒体的类型，例如铜线，光纤或各种无线电频段。

位的表示

规定如何用电磁等信号表示“1”或“0”，即如何编码。

数据速率

规定每秒发送的比特数。

位同步

发送方与接受方不仅使用相同的比特率，还必须同步，即发送方的时钟与接受方的时钟要保持一致。

与传输媒体的接口特性

链路配置

在点到点配置中，两个设备通过一条专用链路连接，而在多点配置中，许多设备分享一条链路。

物理拓扑结构

物理拓扑结构规定用什么拓扑结构将设备连接成网络，可以是星型拓扑，总线型拓扑，环形拓扑或网状结构等。

传输方式

考虑是串行传输还是并行传输，以及传输的方向。

接口特性

规定传输设备与传输媒体之间接口的一些特性。

物理层协议的一个重要任务就是确定与传输媒体的接口的一些特性，即：

1、机械特性

指明接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列，固定和锁定装置灯。

2、电气特性

指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围及阻抗匹配、发送电平，接受电平，阻抗，平衡特性。

3、功能特性

指明某条线上出现的某一电平的电压表示河中意义（TD+发送数据，正向差分信号）。

4、规程特性

指明对于不同功能的各种可能事件的出场顺序。

数据通信系统的模型

几个常用术语

数据（data）——运送消息的实体。

信号（signal）——数据的电气的或电磁的表现。

模拟信号（analogous signal）——代表消息的参数的取值是连续的。

数字信号（digital signal）——代表消息的参数的取值是离散的。

码元（code）——在使用时间域（或简称时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

编码与调制

1、要利用信道传输数据，必须将数据转换为能在传输媒体上传送的信号。

2、信道可以分成传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类。

3、数字数据转换成数字信号的过程称作为编码（coding）。

4、数字数据转换成模拟信号的过程称为调制（Modulation）。

基本调制方法

调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化ASK

调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化FSK

调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化PSK

 实现调制和解调功能的设备称为调制解调器（Modem）

常用的编码方式

归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。

不归零制：正电平代表1，负电平代表0。

曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位周期中心的上跳变代表0，位周期中心的下跳变代表1。

差分曼彻斯特编码：位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1。

基带传输与频带传输

1、矩形脉冲波形的数字信号包含从直流开始的低频分量，被称为基带信号，在数字信道上直接传输基带信号的方法成为基带传输。

 2、模拟信道不能直接传输基带信号，必须对基带信号进行调制，才能在模拟信道中传输。

3、使用载波进行调制，把基带信号频率范围搬移到较高频段进行传输，称为频段传输。经过载波调制后的信号称为频带信号或带通信号，而使用载波的调制称为带通调制。

信道的极限容量

1、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。

2、码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出段的波形的失真越严重。

从概念上讲：限制码元在信道上传输速率的因素有两个：信道带宽（信道能够通过的频率范围）和信噪比

奈氏准则

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，如果信号中的高频分量在传
输时受到衰减，那么在接收端收到的信号波形前沿和后沿就变得不那么陡
峭了，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象
叫作码间串扰。

奈氏准则：理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W 波特，W 是理想低通
信道的带宽，单位为赫(Hz) 。波特、码元传输速率的单位，即码元/秒。

（1）在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，
就会出现严重的码间串扰的问题。

（2）另外，如果信道的频带越宽，就可以用更高的速率传送码元而不出
现码间串扰。

（3）信道带宽一定，若要提高信息的传输速率，可以采用有效的编码技
术，使每一个码元能够携带较多的信息量。

如何使一个码元能够携带更多的信息量

1、对于二进制调制，信号只有两种波形，即只有两种码元，一个码元代表
0，一个码元代表1，这时每个码元所携带的信息量是 1 bit。

2、现采用 8 进制调制，信号有 8 种波形。例如，用 8 种不同的振幅，或 8
种不同的频率，或 8 种不同的相位进行调制。

3、则可用这 8 种码元分别表示 8 种不同的 3 比特组合：
000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111

4、这时每个码元所携带的信息量是 3 bit，信息传输速率则是原来的3倍。

多元制不能无限提高信息传输速率

那是不是采用多元制就能无限制地提高信息的传输速率呢？

答案是否定的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于
实际的信号在信道中传输时的信噪比。

调制的进制越高，就越容易受噪声干扰而导致码元识别的
错误。