王道计算机组成原理 物理层整理 超详细版
數據通信
通信的目的是傳送信息。
數據：傳送信息的實體，通常是有意義的符號序列。
信號：數據的電氣/電磁的表現，是數據在傳輸過程中的存在形式。
? 數字信號：代表消息的參數取值是離散的。
? 模擬信號：代表消息的參數取值是連續的。
信源：產生和發送數據的源頭。
信宿：接收數據的終點。
信道：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。
? 傳輸信號：模擬信道（傳送模擬信號）/ 數字信道（傳送數字信號）
? 傳輸介質：無線信道 / 有線信道
三種通信方式
- 單工通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的交互，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數據，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，需要兩條信道。
兩種傳輸方式
- 串行傳輸：速度慢，費用低，適合遠距離
- 并行傳輸：速度快，費用高，適合近距離
碼元
碼元是一個固定時長的信號波形（數字脈沖），代表不同離散數值的基本波形，是數字通信的計量單位，這個時長內的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度。當碼元的離散狀態有M個時（M大于2），此時碼元為M進制碼元。
1碼元可以攜帶多個比特的信息量。例如，在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態，另一種代表1狀態。
1、碼元傳輸速率：別名碼元速率、調制速率、符號速率等，它表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（也可稱為脈沖個數或信號變化的次數），單位是波特（Baud）。1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元。碼元速率與進制數無關。【1秒傳輸多少個碼元】
2、信息傳輸速率【1秒傳輸多少個比特】
關系：若一個碼元攜帶n bit的信息量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率為M x n bit/s。
奈氏準則和香農定理
失真
影響失真程度的因素：
1、碼元傳輸速率 2、信號傳輸距離 3、噪聲干擾 4、傳輸媒體質量
碼間串擾（失真的一種現象）
接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限的現象。
奈氏準則
在理想低通（無噪聲，帶寬受限）條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為 2W Baud，W 是信道帶寬，單位是 Hz。（只有在這兩個公式中帶寬才用Hz）
1、在任何信道中，碼元傳輸的速率是有上限的。若傳輸速率超過此上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，使接收端對碼元的完全正確識別成為不可能。
2、信道的頻帶越寬（即能通過的信號高頻分量越多），就可以用更高的速率進行碼元的有效傳輸。
3、奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對信息傳輸速率給出限制。
4、由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高數據的傳輸速率，就必須設法使每個碼元能攜帶更多比特的信息量，這就需要采用多元制的調制方法。
for example
香農定理
噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中。由于噪聲隨機產生，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。但是噪聲的影響是相對的，若信號較強，那么噪聲影響相對較小。因此信噪比就很重要。
信噪比 = 信號的平均功率/噪聲的平均功率，常記為 S/N，并用分貝（dB）作為度量單位，即：
香農定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不產生誤差，信息的數據傳輸速率有上限值。
1、信道的帶寬或信道的信噪比越大，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于信道的極限傳輸速率，就一定能夠找到某種方法來是實現無差錯的傳輸。
4、香農定理得出的為極限信息傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少。
5、從香農定理可以看出，若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（不可能），那么信道的極限信息傳輸速率也就沒有上限。
如何區分，for example
給了信噪比也給了V，那么兩種都要算，取值小的那一個
編碼與調制
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）。來自信源的信號，如計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬于基帶信號。基帶信號就是發出的直接表達了要傳輸的信息的信號。
寬帶信號：將基帶信號進行調制后形成的頻分復用模擬信號，再傳送到模擬信道上去傳輸（寬帶傳輸）。把基帶信號經過載波調制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。
- 在傳輸距離較近時，計算機網絡采用基帶傳輸方式（近距離衰減小，從而信號內容不易發生變化）。
- 在傳輸距離較遠時，計算機網絡采用寬帶傳輸方式（遠距離衰減小，即使信號變化大也能最后過濾出來基帶信號）。
數據 ----------轉成---------> 數字信號 編碼
數據 ----------轉成---------> 模擬信號 調制
數字數據編碼為數字信號
1、非歸零編碼【NRZ】
高1低0。編碼容易實現，但沒有檢錯功能，且無法判斷一個碼元的開始和結束，以至于收發雙方難以保持同步。例如全0或全1，是一條水平線
2、曼徹斯特編碼
將一個碼元分成兩個相等的間隔，前一個間隔為低電平后一個間隔為高電平表示碼元1；碼元0則正好相反。也可以采用相反的規定。該編碼的特點是在每一個碼元的中間出現電平跳變，位中間的跳變既作時鐘信號（可用于同步），又作數據信號，但它所占的頻帶寬度是原始的基帶寬度的兩倍。每一個碼元都被調成兩個電平，所以數據傳輸速率中有調制速率的1/2。
3、差分曼徹斯特編碼
同1異0。常用于局域網傳輸，其規則是：若碼元為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相同，若為0，則相反。該編碼的特點是，在每個碼元的中間，都有一次電平的跳轉，可以實現自同步，且抗干擾性強于曼徹斯特編碼。
4、歸零編碼【RZ】
信號電平在一個碼元之內都要恢復到零。
5、反向不歸零編碼【NRZI】
信號電平翻轉表示0，信號電平不變表示1。
6、4B/5B編碼
數字數據調制為模擬信號
數字數據調制技術在發送端將數字信號轉換為模擬信號，而在接收端將模擬信號還原為數字信號，分別對應于調制解調器的調制和解調過程。
調幅+調相（QAM）
模擬數據編碼為數字信號
計算機內部處理的是二進制數據，處理的都是數字音頻，所以需要將模擬音頻通過采樣、量化轉換成有限個數字表示的離散序列（即實現音頻數字化）。
最典型的例子就是對音頻信號進行編碼的脈沖調制（PCM）。
包括三步：抽樣、量化、編碼
1、抽樣：對模擬信號周期性掃描，把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。為了使所得的離散信號能無失真地代表被抽樣地模擬數據，要使用采樣定期進行采樣。采樣頻率 ≥ 信號最高頻率。
2、量化：把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級標度轉化為對應的數字值，并取整數，這就把連續的電平幅值轉換為離散的數字量。
3、編碼：把量化的結果轉換為與之對應的二進制編碼。
模擬數據調制為模擬信號
為了實現傳輸的有效性，可能需要較好的頻率。這種調制方式還可以使用頻分復用技術，充分利用帶寬資源。在電話機和本地交換機所傳輸的信號是采用模擬信號傳輸模擬數據的方式；模擬的聲音數據是加載到模擬的載波信號中傳播的。
物理層傳輸介質
傳輸介質也稱傳輸媒體/傳輸媒介，它就是數據傳輸系統中在發送設備和接收設備之間的物理通路。
傳輸媒體并不是物理層。傳輸媒體在物理層的下面，因為物理層是體系結構的第一層，因此有時稱傳輸媒體為0層。在傳輸媒體中傳輸的是信號，但傳輸媒體并不知道所傳輸的信號代表什么意思。
- 導向性傳輸介質：電磁波被導向沿著固體媒介（銅線/光纖）傳播。
- 非導向性傳輸介質：自由空間，介質可以是空氣、真空、海水等。
雙絞線
雙絞線是古老、又最常用的傳輸介質，它由兩根采用一定規則并排絞合的、相互絕緣的銅導線組成。
絞合可以減少對相鄰導線的電磁干擾。
為了進一步提高抗電磁干擾能力，可在雙絞線的外面加上一個由金屬絲編織成的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線（STP），無屏蔽層的雙絞線就稱為非屏蔽雙絞線（UTP）。
雙絞線價格便宜，是最常用的傳輸介質之一，在局域網與傳統電話網中普遍使用。模擬傳輸和數字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾公里到數十公里。距離太遠時，對于模擬傳輸，要用放大器放大衰減的信號；對于數字傳輸，要用中繼器將失真的信號整形。
雙同軸電纜
同軸電纜由導體銅質芯線、絕緣層、網狀編制屏蔽層和塑料外層構成。按特性抗阻數值的不同，通常將同軸電纜分為兩類：
50 Ω 同軸電纜和 75 Ω 同軸電纜。其中 50 Ω 同軸電纜主要用于傳送基帶數字信號，又稱為基帶同軸電纜，它在局域網中得到廣泛應用；
75 Ω 同軸電纜主要用于傳送寬帶信號，又稱為寬帶同軸電纜，它主要用于有線電視系統。
同軸電纜VS雙絞線
由于外導體屏蔽層的作用，同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好，被廣泛用于傳輸較高速率的數據，其傳輸距離更遠，但價格較雙絞線貴。
光纖
光纖通信就是利用光導纖維傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖表示1，無光脈沖表示0。而可見光的頻率大約是 10^8MHz，因此光纖通信系統的帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸介質的帶寬。
光纖在發送端有光源，可以采用發光二極管或半導體激光器，它們在電脈沖作用下能產生出光脈沖；在接收端用廣電二極管做成光檢測器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖。
特點：
1、傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。
2、抗雷電和電磁干擾性能好。
3、無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數據。
4、體積小，重量輕。
非導向性傳輸介質
物理層設備
1、中繼器
誕生原因：由于存在損耗，在線路上傳輸的信號功率會逐漸衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導致接收錯誤。
中繼器的功能：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。
中繼器的兩端：兩端的網絡部分是網段，而不是子網，適用于完全相同的兩類網絡的互連，且兩個網絡速率要相同。
中繼器只將任何電纜段上的數據發送到另一段電纜上，它僅作用于信號的電氣部分，并不管數據中是否有錯誤或不適于網段的數據。
兩端可連相同媒體，也可連不同媒體。
中繼器兩端的網段一定要是同一個協議。
5-4-3規則：
網絡標準中都對信號的延遲范圍作了具體的規定，因而中繼器只能在規定的范圍內進行，否則會網絡故障。
集線器（多口中繼器）
集線器的功能：對信號進行再生放大轉發，對衰減的信號進行放大，接著轉發到其他所有（除輸入端口外）處于工作狀態的端口上，以增加信號傳輸的距離，延長網絡的長度。不具備信號的定向傳送能力，是一個共享式設備。
創作挑戰賽新人創作獎勵來咯，堅持創作打卡瓜分現金大獎總結
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