目錄

1. 物理層的基本概念

2. 物理層的任務

3. 數據通信系統的模型

4. 信道

5. 常見編碼方式

6. 基本的帶通調制方法

?7. 奈氏準則

8. 香農公式

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1. 物理層的基本概念

物理層需要盡可能的屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異

2. 物理層的任務

機械特性，電氣特性，功能特性，過程特性

3. 數據通信系統的模型

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數據 (data) —— 運送消息（message）的實體。 信號 (signal) —— 數據的電氣的或電磁的表現。 模擬信號 (analogous signal) —— 代表消息的參數的取值是連續的。 數字信號 (digital signal) —— 代表消息的參數的取值是離散的。

例題：

4. 信道

信道 —— 一般用來表示向某一個方向傳送信息的媒體

單向通信（單工通信）——只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。

雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發送信息，但不能雙方同時發送(當然也就不能同時接收)。

雙向同時通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時發送和接收信息。

基帶信號（即基本頻帶信號）—— 來自信源的信號。像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數字信號或人

調制：基帶信號往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對基帶信號進行調制 (modulation)。??

基帶調制：僅對基帶信號的波形進行變換，使它能夠與信道特性相適應。變換后的信號仍然是基帶信號。把這種過程稱為編碼 (coding)。

帶通調制：使用載波 (carrier)進行調制，把基帶信號的頻率范圍搬移到較高的頻段，并轉換為模擬信號，這樣就能夠更好地在模擬信道中傳輸。經過載波調制后的信號叫做帶通信號 （即僅在一段頻率范圍內能夠通過信道），而使用載波的調制稱為帶通調制。

有時也將數字數據轉換成數字信號的過程稱為編碼，而將數字數據轉換成模擬信號的過程稱為調制

5. 常見編碼方式

不歸零制（NRZ）：正電平代表1，負電平代表0

歸零制（RZ）：正脈沖代表 1，負脈沖代表 0

相比于不歸零制，歸零制具有自同步信號

因為每位傳輸之后都要歸零，所以接受者只要在信號歸零后采樣即可，這樣就不在需要單獨的時鐘信號。實際上， RZ 編碼就是相當于把時鐘信號用歸零編碼在了數據之內。這樣的信號也叫做自同步（self-clocking）信號

反向不歸零（NRZI）：信號電平翻轉表示0，信號電平不變表示1。

曼徹斯特編碼：位周期中心的向上跳變代表 0，位周期中心的向下跳變代表 1。但也可反過來定義。
差分曼徹斯特編碼：在每一位的中心處始終都有跳變。位開始邊界有跳變代表 0，而位開始邊界沒有跳變代表 1。
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從信號波形中可以看出，曼徹斯特 (Manchester) 編碼和差分曼徹斯特編碼產生的信號頻率比不歸零制高。
從自同步能力來看，不歸零制不能從信號波形本身中提取信號時鐘頻率（這叫作沒有自同步能力），而歸零編碼、曼徹斯特編碼和差分曼徹斯特編碼具有自同步能力。
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6. 基本的帶通調制方法

最基本的二元制帶通調制方法有以下幾種：
調幅(AM)：載波的振幅隨基帶數字信號而變化。?
調頻(FM)：載波的頻率隨基帶數字信號而變化。
調相(PM) ：載波的初始相位隨基帶數字信號而變化

?7. 奈氏準則

如何提高信道的數據傳輸率？提高碼元傳輸率。
任何實際的信道都不是理想的，在傳輸信號時會產生各種失真以及帶來多種干擾。?
碼元傳輸的速率越高，或信號傳輸的距離越遠，或傳輸媒體質量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴重。?

碼間串擾：具體的信道所能通過的頻率范圍總是有限的。信號中的許多高頻分量往往不能通過信道。如果信號中的高頻分量在傳輸時受到衰減，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就變的不那么陡峭了，每一個碼元所占的時間界限也不再是很明確的，而是前后都拖了“尾巴”。這樣，在接收端收到的信號波形就失去了碼元之間的清晰界限。這種現象叫做碼間串擾。
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1924年，奈奎斯特 (Nyquist) 就推導出了著名的奈氏準則。他給出了在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元的傳輸速率的上限值。
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在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的，否則就會出現碼間串擾的問題，使接收端對碼元的判決（即識別）成為不可能。

實際的信道所能傳輸的最高碼元速率，要明顯地低于奈氏準則給出上限數值。
波特(Baud)和比特(bit)是兩個不同的概念。?

波特是碼元傳輸的速率單位（每秒傳多少個碼元）。碼元傳輸速率也稱為調制速率、波形速率或符號速率。
比特是信息量的單位。
設碼元傳輸速率為RB，信息傳輸速率為Rb。
? ? 對二進制碼元 ? Rb=RB
? ? 對M進制碼元 ? ?Rb=RBlog2M?

8. 香農公式

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。?
只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。?
若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。
實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少。 ?

噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中。
噪聲是隨機產生的，它的瞬時值有時會很大。因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤。
但噪聲的影響是相對的。如果信號相對較強，那么噪聲的影響就相對較小。
信噪比就是信號的平均功率和噪聲的平均功率之比。常記為 S/N，并用分貝 (dB) 作為度量單位。即：
?? ??? ?信噪比(dB) = 10 log10(S/N) ? ?(dB)?
例如，當 S/N = 10 時，信噪比為 10 dB，而當 S/N = 1000時，信噪比為 30 dB
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在碼元傳輸率無法再提高的情況下怎么提高數據傳輸率？改進編碼方案，讓一個碼元承載更多的比特數據。
?1948年，香農 (Shannon) 用信息論的理論推導出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限、無差錯的信息傳輸速率（香農公式）。
信道的極限信息傳輸速率 C 可表達為：
?? ??? ?C = W log2(1+S/N) ? ?(bit/s)?
其中：?? ?W 為信道的帶寬（以 Hz 為單位）；
?? ??? ?S 為信道內所傳信號的平均功率；
?? ??? ?N 為信道內部的高斯噪聲功率

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。?
只要信息傳輸速率低于信道的極限信息傳輸速率，就一定可以找到某種辦法來實現無差錯的傳輸。?
若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（當然實際信道不可能是這樣的），則信道的極限信息傳輸速率 C 也就沒有上限。
實際信道上能夠達到的信息傳輸速率要比香農的極限傳輸速率低不少

對于頻帶寬度已確定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且碼元傳輸速率也達到了上限值，那么還有辦法提高信息的傳輸速率。
這就是：用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量。?
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9.? 信道復用技術

頻分復用 FDM

?時分復用 TDM

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統計時分復用 STDM

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波分復用 WDM

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碼分復用

常用的名詞是碼分多址 CDMA?
? ? (Code Division Multiple Access)。
各用戶使用經過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會造成干擾。
這種系統發送的信號有很強的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發現。

每一個比特時間劃分為 m 個短的間隔，稱為碼片 (chip)。
每個站被指派一個唯一的 m bit 碼片序列。
如發送比特 1，則發送自己的 m bit 碼片序列。
如發送比特 0，則發送該碼片序列的二進制反碼。

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例如，S 站的 8 bit 碼片序列是 00011011。
發送比特 1 時，就發送序列 00011011，
發送比特 0 時，就發送序列 11100100。
S 站的碼片序列向量：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1) ?

注意區別碼片序列和碼片序列向量??
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總結

以上是生活随笔為你收集整理的详解物理层_计算机网络的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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