计算机网络（二）| 物理层上 | 数据通信基础知识 调制 频率范围 信噪比

内容笔记来源于谢希任老师《计算机网络》

物理层重点

1 复用的概念

2 宽带接入技术，家庭和公司如何接入Internet？PON接入，画接入Internet的拓扑图

1 物理层基本概念

物理层考虑的是怎样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。怎么理解呢？因为我们的物理传输媒介千差万别，有可能通过光缆，有可能无线空气传输等等，那么物理层就要想办法消除这些差别，让物理层之上的数据链路层不必考虑具体的传输媒介，只需要关注本层的一些协议就好

用于物理层的协议也叫作物理层的规程

可以将物理层的任务描述为确定与传输媒体的接口有关的一些特性，即

机械特性 指明接口所用的接线器的形状和尺寸，引线数目和排列

电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压范围

功能特性 指明某一电平的电压表示何种意义

过程特性 指明对于不同功能的各种事件出现顺序

学习之前，需要先了解一些通信的基础知识

2.数据通信基础知识

2.1 数据通信基本概念

我们通信的目的是传递消息，比如我打电话想告诉妈妈今天晚上想吃油闷大虾。

将这个消息使用特定方式表示之后，就可以得到数据，数据是运送这个消息的实体，

而信号是数据的电气和电磁的表现，同一个数据，用不同的方式传递，有不同的电气电磁表现。

那么数据又分为

模拟的 代表信息的参数取值是连续的

数字的 代表信息的参数取值是离散的

​ 码元： 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

2.2 信道基本概念

了解

单工 单向通信，只能有一个方向交互，如广播电视，只能它向我们发送

半双工 双向交替通信 ，如对讲机，只能一次一个人讲话

**全双工 ** 双向通信，如打电话

基带信号

​ 即基本频带信号，来自数据发送方的信号，像计算机输出的各种文字或者图像文件的数据信号都属于基带信号

可以分为：

​ 模拟基带信号：如人说话产生的声波

​ 数字基带信号：如计算机产生数据的方波

而这种基带信号往往含有很多的直流或者低频成分，许多信道都不支持，在信道中直流和丰富低频成分的基带信号衰减的比较厉害，特别是直流不是被电容隔离就是被电感旁路，所以需要进行调制（通过变化去除这些成分）

调制有两种方式

方式一 基带调制 又称编码，对输入信号的波形进行变换， 输入为数字基带信号，仍为数字基带信号，如曼彻斯特编码

方式二 带通调制 使用载波调制，把基带信号频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，如调幅调制

首先介绍方式一

2.2.1 基带调制（编码）方式

1 不归零制

2 归零制

3 曼彻斯特编码 ，方便同步比特个数

​ 数据位的中心点用来判断信号的取值。如果信号从低电平到高电平（或相反）变化，表示数据位为0；如果信号从高电平到低电平（或相反）变化，表示数据位为1。

4 差分曼彻斯特编码

​ 差分曼彻斯特编码的关键是信号的变化方式。在一个周期内，如果信号发生了变化，表示数据位为1；如果信号没有变化，表示数据位为0。

再介绍方式二

2.2.2 带通调制方式

调制 对基带信号的几种调制方式

1 调相

2 调幅

3 调频

4 正交振幅调制

2.3 信道的极限速率影响因素

那么我们通信核心一个议题就是想要传输的更快

但是研究表明，传输速率受到两个因素影响

2.3.1 频率范围

当速度增大时候，码元之间的界限就会模糊，导致最后相互干扰，出现“码间串扰现象”，接收方就无法分辨，为了避免码间串扰，香农给出奈式准则，在无噪声的情况下，最高码原传递速率等于两倍的带宽（带宽反应频率范围）

知道带宽的情况下，就可以知道最大传输速率了，比如带宽W=4000Hz，那么最大码元传输速率8000码元/秒

即公式为 $最大码元传输速率=2W（码元/s）$

这里有一个问题，就是一个码元是多少bit，如果码元有4种，则需要两bit，如果是8种，则需要3bit，如果是16种则4bit，所以一个码元的bit数取决于码元的种类，等于$lo{g}_{2}V$

则理想状态下的极限传输速率为

$2Wlo{g}_{2}V(bit/s)$

注意这里的最大码元速率，和最大传输速率的区别！！！单位也不同，含义也不同

但实际传输过程中，不能没有噪声，而噪声也对传输速率有影响，因而引入一个关键定义信噪比，也是影响速率的第二个因素

2.3.2 信噪比

信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常常记作S/N，以分贝为单位

$信噪比=10lo{g}_{10}(S/N)（dB）$

当S/N=10的时候，信噪比为10dB，当S/N=1000时，信噪比为30dB

基于信噪比，香农提出了香农公式

噪声情况下，$极限信息传输速率C=Wlo{g}_2(1+S/N)(bit/s)$

W还是带宽