【计算机网络】学习笔记:第二章 物理层（五千字详细配图）【王道考研】

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目录

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一、物理层的基本概念

1）机械特性

2）电气特性

3）功能特性

4）规程特性

二、数据通信的基础知识

1）典型数据通信模型

 2）专业术语

 3）三种通信方式

 4）两种数据传输方式

三、码元、波特、速率、带宽

1）码元

2）速率、波特

3）带宽

 四、奈式准则、香农定理

 1）失真

 2）码间串扰

 3）奈式准则

 4）香农定理

 5）“Nice”和“香浓”

五、编码&调制

1）基带信号与宽带信号

2）编码与调制 

 （1）数字数据编码为数字信号

 （2）数字数据调制为模拟信号

 （3）模拟数据编码为数字信号

 （4）模拟数据调制为模拟信号

编码与调制总结

 六、物理层传输介质

 1）传输介质及分类

 2)导向性传输介质——1.双绞线

 3)导向性传输介质——2.同轴电缆

 4)导向性传输介质——3.光纤 

 多模光纤与单模光纤：

光纤的特点：

 5）非导向性传输介质

 传输介质总结

 七、物理层设备

 1）中继器

 2）集线器（多端口中继器）

 第二章——物理层总结

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一、物理层的基本概念

物理层解决如何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。

物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性。就是定义标准的过程

1）机械特性

定义物理连接的特性，规定物理连接时所用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。

2）电气特性

规定传输二进制位时，路线上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率、和距离限制等。

3）功能特性

指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。

4）规程特性

定义各条物理线路的工作规程和时序的关系。

二、数据通信的基础知识

1）典型数据通信模型

数字信号：高电平低电平 011001100100011

典型数据通信过程模型：输入信息->输入数据->发送信号->接收信号->输出数据->输出信息

通信的目的是传送消息。

2）专业术语

数据：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。即0101比特流序列 计算机能看懂的语言。

信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。 链路上传输

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接收数据的终点。

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。   信道是载体，信号只有在信道上才能传输。向量性概念

 3）三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

1.单工通信  只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要一条信道。

2.半双工通信  通信的双方都可以发送或者接受信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。    OvO！可以想象成回合制游戏  对讲机

3.全双工通信  通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道。

4）两种数据传输方式

串行传输和并行传输。   单比特（单线）和多比特（多线）

三、码元、波特、速率、带宽

1）码元

码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。当码元的离散状态有M个时（M大于2），此时码元为M进制码元。

1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种表示0，一种表示1状态。高电平和低电平。

 一个码元就是一个脉冲信号。可以根据脉冲信号的特征实现携带多比特信息量

 例：

2）速率、波特

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率。     (x_x) 传播速率与传输速率不同！

1.码元传输速率：它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制数无关。

码元传输速率指的就是   1s传输多少个码元！！    1Baud = 1码元/s

2.信息传输速率：别名信息速率\比特率等，表示单位时间内数据通信系统传输的二进制码元个数(即比特数)，单位是比特/秒( b/s )。

信息传输速率   1s传输多少个比特！！！！

码元传输速率与信息传输速率的关系:若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s。

注：四进制信号指的就是有四种码元，或者说四种信号波形。四进制码元携带log2(4)即2个比特，十六进制码元携带log2(16)即4个比特。(￣︶￣)↗2进制1位，4进制2位，9进制3位，16进制4位

3）带宽

带宽表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所通过的最高数据率，常用来表示传输数据的能力。单位是b/s。

 四、奈式准则、香农定理

1）失真

信号波形在传播中受干扰，接收信号波形与发送信号波形不同，称为失真。失真有大小，分别可识别和不可识别。

2）码间串扰

接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

码间串扰是由于系统传输总特性不理想，导致前后码元的波形畸变、展宽，并使前面波形出现很长的拖尾，蔓延到当前码元的抽样时刻上，从而对当前码元的判决造成干扰。

 为了解决码间串扰的问题，奈奎斯特提出了奈式准则（奈奎斯特定理）：

 3）奈式准则

奈式准则：在理想低通（无噪声，带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud,W是信道带宽，单位是Hz。

 由于奈式准则只解决了极限码元传输速率，没有极限比特传输速率，香农定理解决了极限比特传输速率的问题，还考虑了电磁干扰（噪声）：

4）香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝 (dB) 作为度量单位，即:

信噪比（dB）= 10lg（S/N）  

 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

 注：只有在奈式准则和香农定理计算中，带宽单位才为Hz。 

 5）“Nice”和“香浓”

 

这二者最大的区别：香农定理是有噪声通道，奈奎斯特是无噪声通道。

五、编码&调制

1）基带信号与宽带信号

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含条发送信道和一条接收信道。

 信道上的信号按不同分类可分为： 

1.模拟信号：模拟信号是连续时间内变化的信号，其幅度、频率和相位等参数随时间不断变化。经过调制后，可以传输音频、视频等信息。

2.数字信号：数字信号是离散时间上取样得到的信号，每个样本用一个数字表示，可以采用不同的编码方式来表示不同的信息，如二进制编码。数字信号具有抗干扰性强，可靠性高等优点，广泛应用于数字通信系统。

3.基带信号：基带信号是指未经过调制的原始信号，通常具有很低的频带宽度，一般在几百赫兹（Hz）至几千赫兹（kHz）之间。

4.宽带信号：宽带信号是通过对基带信号进行调制后得到的信号，具有比基带信号更宽的频带宽度，可以传输更多的信息，也具有较强的抗干扰性能。 

 

基带信号通常具有很低的频率范围，不能直接传输和处理，因为它的频带宽度较窄，容易受到噪声和干扰的影响，同时也无法在长距离传输过程中保持信号质量。

为了解决这个问题，需要将基带信号通过调制方式转换为能够在远距离传输的信号，即宽带信号。宽带信号是通过将基带信号与载波信号进行调制后得到的，具有比基带信号更宽的频带宽度，可以通过调整频率或码率等方式来提高数据传输速度和传输距离，同时也具有较强的抗干扰性能。

2）编码与调制 

编码：把数据转成数字信号。

调制：把数据转成模拟信号。

 （1）数字数据编码为数字信号

 

1.非归零编码【NRZ】：高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

2.曼彻斯特编码：前高后低表示1，前低后高表示0。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步）又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

3.差分曼彻斯特编码：同1异0。若为1，则与前一个相同，若为0，则与前一个相反。在每个码元的中间,都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码

4.归零编码【RZ】：信号电平在一个码元之内都要恢复到0的这种编码成编码方式。

5.反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

6.4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此4B/5B。编码效率为80%。

 （2）数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

（3）模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)。

最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的 WAV文件中均有应用。它主要包括三步: 抽样、量化、编码。

（4）模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式:模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

编码与调制总结

 六、物理层传输介质

1）传输介质及分类

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输媒体并不是物理层。

传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

 2)导向性传输介质——1.双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。

 绞合可以减少对象林道先的电磁干扰

 3)导向性传输介质——2.同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成。按特性阻抗数值的不同，通常将同轴申缆分为两类:50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。

其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴申缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

 

4）导向性传输介质——3.光纤 

光纤通信就是利用光导纤维(简称光纤)传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是10^8MHZ，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

 多模光纤与单模光纤：

光纤的特点：

1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济

2.抗电和电磁干扰性能好

3.无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据

4.体积小，重量轻

5）非导向性传输介质

 传输介质总结

 七、物理层设备

1）中继器

诞生原因：由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致按收错误。

中继器的功能:对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

 2）集线器（多端口中继器）

集线器的功能: 对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。

 第二章——物理层总结