物理層的基本概念

為什么需要物理層

• 通信需要通路：光、電、無線
• 通路連接方式
• 數據在通路上的表現形式：數據如何轉變成通路上需要的形式、數據傳輸速率
• 通路共享
• 通路傳送數據的規則

物理層的功能

物理層不包含物理媒介，而是確定與傳輸媒體的接口特性。

• 機械特性
• 電器特性
• 功能特性
• 過程特性

主要功能：解決計算機間比特傳輸問題，即透明地傳送比特流，關心的是點到點的問題。

透明傳輸：指不管所傳輸的數據是什么樣的比特組合，都能夠在鏈路上傳輸。要盡可能地屏蔽掉不同傳輸媒體和通信手段的差異。

常用物理層相關標準：RJ45

數據通信基礎

一個數據通信系統包括三大部分：源系統（或發送端、發送方）、傳輸系統（或傳輸網絡）和目的系統（或接收端、接收方）

通信的目的是傳送消息

• 信號：數據的電氣的或電磁的表現

模擬信號：代表消息的參數的取值是連續的 數字信號：代表消息的參數的取值是離散的

• 信源：產生和發送數據的源頭
• 信宿：接收數據的終點
• 信道：信號傳輸的通道（傳輸媒介），一般來表示向某一個方向傳送信息的介質，一端是發送信道，另一端是接收信道。一條傳輸介質上可以有多條信道（多路復用）
  

三種通信方式

基帶信號

基帶信號：信源發出的沒有經過調制的原始信號（直接表達了要傳輸的信息的信號）。
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

• 由模擬信號源產生的信號稱為模型基帶信號
• 由計算機產生的二進制信號稱為數字基帶信號
• 無特別說明，一般指的是數字基帶信號
  

編碼與調制

數字數據編碼為數字信號

• 非歸零編碼：正電平代表1，負電平代表0
• 歸零編碼：正脈沖代表1，負脈沖代表0
• 曼徹斯特編碼：從高到低跳變是表示1，從低到高跳變表示是0
• 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，位開始邊界沒有跳變代表1
  
  

碼元的概念

在使用時間域的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。
1碼元可以攜帶多個比特的信息量。
當碼元的離散狀態有M個時，此時碼元稱為M進制碼元。

信道極限容量

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。
失真的原因：

• 碼元傳輸速率高
• 信道傳輸的距離遠
• 傳輸媒體質量越差
• 噪音干擾
  
  碼間串擾：接收端收到的信號波形失去了碼元之間的清晰界限的現象

信道帶寬

信道能夠通過的頻率范圍

信道的頻帶越寬，也就是能夠通過的信號高頻分量越多，那么就可以用更高的速率傳送碼元而不是出現碼間串擾

奈氏準則

在假定的理想低通條件（無噪音、帶寬受限）下，為了避免碼間串擾

碼元的傳輸速率的上限值 = 2W Baud(波特) W是最信道的帶寬，單位是Hz

信噪比

噪聲存在于所有的電子設備和通信信道中 噪音是隨機產生的，它的瞬間值有時會很大。
因此噪音會使接收端對碼元的判決產生錯誤。
但噪音的影響是相對的。如果信號相對較強，那么噪音的影響就相對較小

香農定理

• 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方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，則信道的極限信息傳輸速率C也就沒有上限
• 實際上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
  
  可以用編碼的方法讓每一個碼元攜帶更多比特的信息量

傳輸媒體

傳輸介質

• 信道是傳輸系統的邏輯通路
• 傳輸介質也稱傳輸媒體/傳輸媒介，是數據傳輸系統中在發送設備和接收設備的物理通路

導引型傳輸媒體

• 雙絞線
• 同軸電纜：最適合于單工，屬于半雙工
• 光纜

屏蔽雙絞線STP：帶金屬屏蔽層
無屏蔽雙絞線UTP

絞合的作用：

減少對相鄰導線的電磁干擾

信道復用技術

• 頻分多路復用
• 時分多路復用
• 波分多路復用
• 碼分多路復用

多路復用技術

把多個信號組合在一條物理信道上進行傳輸，使得多個計算機或終端設備共享信道資源，提高信道利用率

頻分多路復用

將整個帶寬分為多份，用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個頻帶。頻分復用的所有用戶在同樣的時間占用不同的帶寬資源
（這里的帶寬是頻率帶寬而不是數據的發送速率）

頻分復用技術的特點：

所有子信道傳輸的信號以并行的方式工作

時分復用TDM

時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀，每一個用戶在每一個TDM幀占用固定序號的時隙；每一個用戶所占用的時隙是周期性出現（周期即TDM幀的長度），TDM信號也稱為等時信號。時分復用的所有用戶是在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

由于計算機數據的突發性質，使用時分復用系統傳輸數據，子信道的利用率一般是不高

統計時分復用STDM

數據發往復用器，復用器按順序掃描。把復用器中的數據放入STDM幀中，一個STDM幀滿了就發出。STDM不是固定分配時隙。而是按需動態分配時隙。

注：STDM幀的時隙數小于終端數，并且有站標識開銷

波分復用WDM

碼分復用CDM

碼分多址是碼分復用的一種方式，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。

碼片序列
每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片。
每一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
  

總結

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

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