文章目錄

• 一、四種特性
• 二、碼元傳輸速率與信息傳輸速率 ★
• 三、通信方式 與 數(shù)據(jù)傳輸方式
• 四、信號類型
• 五、編碼 與 調(diào)制
• 六、奈氏準(zhǔn)則 ★★
• 七、香農(nóng)定理 ★★
• 八、奈氏準(zhǔn)則 與 香農(nóng)定理 ★★
• 九、傳輸介質(zhì)
• 十、物理層設(shè)備

一、四種特性

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機械特性 : 定義物理連接特性 , 包括 采用的規(guī)格 , 接口形狀 , 引線數(shù)目 , 排列情況 , 引腳數(shù)量 ;

• 引腳排列示例 : 水晶頭的引腳排列情況 , 插座的間距規(guī)格等 ;

電氣特性 : 傳輸二進(jìn)制時 , 傳輸信號的 電壓范圍 , 阻抗匹配 , 傳輸速率 , 距離限制 ;

• 電壓范圍示例 : 規(guī)定信號電平 +10V ~ +15V 表示二進(jìn)制數(shù)據(jù) 0 , 信號電平 -10V ~ -15V 表示二進(jìn)制數(shù)據(jù) 1 ;
• 電纜長度示例 : 路由器 到 主機間的電纜長度必須在 20 米以內(nèi) ;

功能特性 : 描述 電平 的意義 , 接口部件 信號線用途 ;

• 電平意義 示例 : 描述當(dāng)一個接口的引腳處于高電平的含義 ;

• 注意與 電氣特性 區(qū)分 : 電氣特性是描述 根據(jù) 電壓 得到 電平 , 功能特性是指 電平的意義 ;

規(guī)程特性 : 又稱為 過程特性 , 規(guī)定 各個 物理線路 工作 規(guī)程 , 時序關(guān)系 ;

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 基本概念 ( 概述 | 概念 | 機械特性 | 電氣特性 | 功能特性 | 規(guī)程特性 )

二、碼元傳輸速率與信息傳輸速率 ★

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1 . 碼元傳輸速率 : $1$ 秒傳輸多少個碼元

• 別名 : 碼元速率 , 波形速率 , 調(diào)制速率 , 符號速率 ;

• 概念 : 單位時間 內(nèi) , 數(shù)字通信系統(tǒng) 傳輸?shù)?碼元個數(shù) , 單位是 波特 ( Baud ) ;

"波特" 是速度單位 , $1$ 波特 就是 $1$ 碼元 / 秒 ;

"波特" 簡介 : $1$ 波特 , 表示 數(shù)字通信系統(tǒng) $1$ 秒中 傳輸 $1$ 個碼元 ;

• 碼元個數(shù)說明 : 又稱為 脈沖個數(shù) 或 信號變化次數(shù) ;

• 碼元信息量說明 : 碼元可以是多進(jìn)制的 , 也可以是二進(jìn)制的 , 計算機網(wǎng)絡(luò)中指的是二進(jìn)制的碼元 ;

• 碼元信息量示例 : $1$ 波特下 , 二進(jìn)制碼元每秒傳輸 1 比特數(shù)據(jù) , $4$ 進(jìn)制碼元 每秒 傳輸 2 比特數(shù)據(jù) ;

"碼元傳輸速率" 與 “數(shù)據(jù)傳輸速率” 無關(guān) ;

2 . 信息傳輸速率 : $1$ 秒傳輸多少個比特

• 別名 : 信息速率 , 比特率 ;

• 概念 : 單位時間內(nèi) , 數(shù)字通信系統(tǒng) , 傳輸?shù)?二進(jìn)制碼元個數(shù) ;

• 二進(jìn)制碼元 : 其 信息量 就是 $1$ 比特 ;

• 單位 : 比特/秒 ( bit/s ) ;

"碼元傳輸速率" 與 “信息傳輸速率” 關(guān)系 :

• 碼元信息量 : $1$ 碼元 攜帶 $n$ 比特 信息量 ;

• 換算關(guān)系 : $M$ 波特 的 “碼元傳輸速率” 對應(yīng) $M\times n$ 比特/秒 的 “信息傳輸速率” ;

3 . 碼元傳輸速率 信息傳輸速率 計算 :

數(shù)字通信系統(tǒng) $1$ :

• $4$ 進(jìn)制碼元 : $1$ 個碼元 有 $2$ 比特 信息量 ;
• $4$ 秒傳輸 $8000$ 個碼元
• 計算 碼元傳輸速率 : $碼元傳輸速率=\frac{8000}{4}=2000Baud$
• 計算 信息傳輸速率 : $信息傳輸速率=2000\times 2=4000b/s$

數(shù)字通信系統(tǒng) $2$ :

• $16$ 進(jìn)制碼元 : $1$ 個碼元有 $4$ 比特 信息量 ;
• $6$ 秒傳輸 $7200$ 個碼元
• 計算 碼元傳輸速率 : $碼元傳輸速率=\frac{7200}{6}=1200Baud$
• 計算 信息傳輸速率 : $信息傳輸速率=1200\times 4=4800b/s$

對比上述兩個 數(shù)字通信系統(tǒng) 的 系統(tǒng)傳輸速率 : 對比 “信息傳輸速率” , 第 $2$ 個數(shù)字通信系統(tǒng) 信息傳輸速率更快一些 ;

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 相關(guān)參數(shù) ( 碼元 | 碼元進(jìn)制 | 速率 | 碼元傳輸速率 | 波特 | 信息傳輸速率 | 帶寬 | 碼元速率計算示例 )★

三、通信方式 與 數(shù)據(jù)傳輸方式

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1 . 通信方式分類 : 依據(jù) 通信雙方 信息交互方式 , 將 通信方式 分類三類 :

• 單工通信
• 半雙工通信
• 雙工通信

單工通信 : 只有一個方向的通信 , 只有一條信道 , 不能反方向通信 ;

半雙工通信 : 通信雙方都可以 發(fā)送 和 接收 信息 , 但是不能同時 發(fā)送 和 接收 信息 , 有 發(fā)送 和 接收 兩條信道 ;

全雙工通信 : 通信雙方都可以 同時 發(fā)送 和 接收 信息 , 有 發(fā)送 和 接收 兩條信道 ;

2 . 數(shù)據(jù)傳輸方式 :

① 串行傳輸 :

• 傳輸方式 : 比特流 串行傳輸 , 發(fā)送方 同時 發(fā)送一個比特 , 接收方 同時 接收一個比特 ;
• 特點 : 速度慢 , 費用低 , 適合遠(yuǎn)距離傳輸 ;
• 使用場景 : 網(wǎng)線 ;

② 并行傳輸 :

• 傳輸方式 : 發(fā)送方同時發(fā)送多個比特 , 接收方同時接收多個 比特 ;
• 特點 : 速度快 , 費用高 , 適合近距離傳輸 ;
• 使用場景 : 計算機內(nèi)部傳輸 , 如顯示器串口線 , 連接打印機掃描儀的并口 ;

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 數(shù)據(jù)通信 ( 數(shù)據(jù)通信模型 | 信源 | 信宿 | 信道 | 通信方式 | 單工 | 半雙工 | 全雙工 | 數(shù)據(jù)傳輸方式 | 串行 | 并行 )

四、信號類型

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1 . 基帶信號 ( 基帶傳輸 ) : 將 數(shù)字信號 $0$ 和 $1$ 使用不同的電壓表示 , 然后再送到 數(shù)字信道 上去傳輸 ;

"基帶信號" 來源 : 基帶信號 是 來自 信源 的 信號 , 計算機輸出的 文字 , 圖像 等數(shù)據(jù)信號都是基帶信號 ;

基帶信號 直接表達(dá)要傳輸?shù)男畔⒌男盘?;

基帶信號 在 數(shù)字信道上傳輸 , 稱為 基帶傳輸 ;

2 . 寬帶信號 ( 寬帶傳輸 ) : 將 基帶信號 進(jìn)行 調(diào)制 后 , 形成 頻分復(fù)用 模擬信號 , 再送到 模擬信道 上傳輸 ;

載波調(diào)制 : 基帶信號 經(jīng)過 載波調(diào)制 后 , 將 信號 頻率范圍 移動到 較高頻段 , 以便于在 信道 中傳輸 ;

寬帶信號 在 模擬信道上傳輸 , 稱為 寬帶傳輸 ;

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 編碼與調(diào)制 ( 基帶信號 | 寬帶信號 | 編碼 | 調(diào)制 )

五、編碼 與 調(diào)制

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1 . 編碼 與 調(diào)制

編碼 : 將 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)為 數(shù)字信號 , 稱為 “編碼” ;

調(diào)制 : 將 數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)為 模擬信號 , 稱為 “調(diào)制” ;

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 編碼 : 使用 數(shù)字發(fā)送器 編碼為 數(shù)字信號 ;

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 調(diào)制 : 使用 調(diào)制器 調(diào)制為 模擬信號 ;

模擬數(shù)據(jù) 編碼 : 是哦用 PCM 編碼器 編碼為 數(shù)字信號 ;

模擬數(shù)據(jù) 調(diào)制 : 使用 放大器調(diào)制器 調(diào)制為 模擬信號 ; ( 將低頻信號調(diào)制成高頻信號 )

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 編碼與調(diào)制 ( 基帶信號 | 寬帶信號 | 編碼 | 調(diào)制 )

2 . 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號 :

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 編碼 ( 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 編碼 數(shù)字信號 | 非歸零編碼 | 歸零編碼 | 反向不歸零編碼 | 曼徹斯特編碼 | 差分曼徹斯特編碼 | 4B/5B 編碼 )

3 . 模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號 :

PCM 編碼過程主要有三個步驟 :

① 抽象

② 量化

③ 編碼

采樣定理 : 為了使所有的離散信號 , 能夠 不失真地代表 被抽樣的模擬數(shù)據(jù) , 需要使用 采樣定理 :

$$f_{采樣頻率}\ge 2f_{信號最高頻率}$$

采樣定理 規(guī)定了 采樣頻率 必須 大于等于 信號最高頻率的 $2$ 倍 ;

一個采樣周期內(nèi)有兩個值 , 就可以還原正弦波 ;

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 編碼 ( 模擬信號 編碼為 數(shù)字信號 | 音頻信號 PCM 編碼 | 抽樣 | 量化 | 編碼 | 采樣定理 )

4 . 數(shù)字信號編碼為模擬信號

數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)調(diào)制 技術(shù) :

① 調(diào)制 : 發(fā)送端 將 數(shù)字信號 轉(zhuǎn)為 模擬信號 ;

② 解調(diào) : 接收端 將 模擬信號 轉(zhuǎn)為 數(shù)字信號 ;

調(diào)制 技術(shù) :

• 調(diào)幅
• 調(diào)頻
• 調(diào)相

5 . 數(shù)字信號編碼為模擬信號 計算示例

調(diào)幅 + 調(diào)相 結(jié)合在一起使用的調(diào)制方法 是 QAM 調(diào)制 ;

QAM 調(diào)制示例 :

• 信道波特率 : $1200$ Baud ;
• 相位個數(shù) : $4$ 個
• 振幅個數(shù) : $4$ 種
• 計算信息傳輸速率 $?$

計算過程

先計算每個碼元攜帶的信息量 : 調(diào)相 + 調(diào)幅 結(jié)合使用 ; 有以下兩種理解方式 ;

• 每個碼元有 $4$ 個相位 , 每個相位可以有 $4$ 種振幅 , 那么每個碼元有 $4\times 4=16$ 種不同的取值 ;
• 每個碼元有 $4$ 個振幅 , 每個振幅可以有 $4$ 種相位 , 那么每個碼元有 $4\times 4=16$ 種不同的取值 ;

使用奈氏準(zhǔn)則計算信息傳輸速率 :

• 奈氏準(zhǔn)則計算公式為 : $理想低通信道信息極限傳輸速率=2Wlo{g}_{2}V比特/秒$

• $2W$ 是碼元速率 , $W$ 是帶寬 , 其中碼元速率已經(jīng)給出 , 是 1200 波特 , 直接使用即可 , 這里計算下每個源碼攜帶的信息量 , 是 $lo{g}_{2}16=4$ 比特 ;

• 計算過程 : $2Wlo{g}_{2}V=1200\times lo{g}_{2}16=4800b/s$

信息傳輸速率是 $4800b/s$ ;

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 調(diào)制 ( 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù) 調(diào)制 模擬信號 | 調(diào)幅 | 調(diào)頻 | 調(diào)相 | 調(diào)幅 + 調(diào)相 QAM | 計算示例 | 模擬信號 調(diào)制為 模擬信號 )

六、奈氏準(zhǔn)則 ★★

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1 . 奈氏準(zhǔn)則 用于 限制 碼元傳輸速率 上限 , 單位是 波特 ;

公式如下 :
$$理想低通信道碼元極限傳輸速率=2W波特$$

信息傳輸速率 上限計算 , 單位是 比特/秒 ;

公式如下 :
$$理想低通信道信息極限傳輸速率=2Wlo{g}_{2}V比特/秒$$

$V$ 指的是 碼元的離散值個數(shù) ;

$W$ 指的是 信道帶寬 , 單位 赫茲 ( $Hz$ ) ;

2 . “奈氏準(zhǔn)則” 計算示例

無噪聲情況下 , 信道帶寬為 $3000Hz$ , 采用 $4$ 個相位 , 每個相位有 $4$ 種振幅 QAM 調(diào)制技術(shù) , 計算 最大數(shù)據(jù)傳輸率 $?$

該調(diào)制技術(shù)是 調(diào)相 和 調(diào)幅 結(jié)合在一起 , 每個碼元信號有 $4\times 4=16$ 種變化 ; 也就是每個碼元有 $lo{g}_{2}16=4$ 比特的數(shù)據(jù)量

計算過程如下 :
$$理想低通信道信息極限傳輸速率=2Wlo{g}_{2}V比特/秒$$
$$=2\times 3000\times lo{g}_{2}16$$
$$=2\times 3000\times 4=24000比特/秒$$

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 奈氏準(zhǔn)則 ( 失真 | “失真“ 影響因素 | 碼間串?dāng)_ | 奈奎斯特定理 | 碼元極限傳輸速率 | 信息極限傳輸速率 | 奈氏準(zhǔn)則計算示例 )★

七、香農(nóng)定理 ★★

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1 . 香農(nóng)定理公式 :

$$信道極限數(shù)據(jù)傳輸速率=Wlo{g}_2(1+S/N)$$

單位是 比特/秒 ( b/s )

$W$ 帶寬 , 單位 是 赫茲 ( Hz ) ;

$S/N$ 是信噪比

$S$ 是信道內(nèi)信號的平均功率

$N$ 是信道內(nèi)的高斯噪聲功率 ;

信噪比計算 :

• 數(shù)值 信噪比 : 如果給出的信噪比是 數(shù)值 , 沒有單位可以直接代入 , 代替上述 $S/N$ ;
• 分貝 信噪比 : 如果給出的信噪比是 dB 值 , 那么需要 根據(jù) $信噪比(dB)=10lo{g}_{10}(\frac{S}{N})$ 公式 , 計算出 $S/N$ 的值 ;

2 . 香農(nóng)定理計算示例

信道帶寬 $3000Hz$ , 信噪比 $30dB$ , 根據(jù)香農(nóng)定理 計算 數(shù)據(jù)極限傳輸速率 $?$

計算 $S/N$ :

先根據(jù) $信噪比(dB)=10lo{g}_{10}(S/N)$ 公式計算出 $S/N$ 值 ;

$信噪比(dB)=10lo{g}_{10}(S/N)=30$
$信噪比(dB)=lo{g}_{10}(S/N)=3$
$S/N=10^3=1000$

信道 極限傳輸速率 計算 :

$信道極限數(shù)據(jù)傳輸速率=Wlo{g}_2(1+S/N)$

$信道極限數(shù)據(jù)傳輸速率=3000lo{g}_2(1+1000)\approx 30000b/s=30kb/s$

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 香農(nóng)定理 ( 噪聲 | 信噪比 | 香農(nóng)定理 | “香農(nóng)定理“公式 | “香農(nóng)定理“ 計算示例 | “奈氏準(zhǔn)則“ 與 “香農(nóng)定理“ 對比 與 計算示例)★

八、奈氏準(zhǔn)則 與 香農(nóng)定理 ★★

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1 . “奈氏準(zhǔn)則” 核心是針對 內(nèi)部問題 :

① 使用環(huán)境 : 帶寬受限 , 沒有外部的噪聲干擾 ;

② 針對問題 : 為了避免 碼間串?dāng)_ , 將 碼元的傳輸速率 上限設(shè)置成 2W 波特 ( Baud ) ;

理想狀態(tài)下信道的極限傳輸速率 = $2Wlo{g}_{2}V$ 比特 / 秒

提高數(shù)據(jù)傳輸速率 :

• 提高帶寬
• 采用更好的編碼技術(shù) , 使單個碼元攜帶更多信息量 ;

"香農(nóng)定理" 核心是針對 外部問題 :

① 使用環(huán)境 : 帶寬受限 , 外部有噪聲干擾 ;

② 針對問題 : 在外部干擾下 , 為 信息傳輸速率 設(shè)置上限 ;

非理想狀態(tài)下信道的極限傳輸速率 = $Wlo{g}_2(1+S/N)$ 比特 / 秒 ;

提高數(shù)據(jù)傳輸速率 :

• 提高帶寬
• 提高信噪比

2 . 計算示例

計算 信息極限傳輸速率 :

• 如果給了 碼元信息個數(shù) , 就用奈氏準(zhǔn)則計算 ;
• 如果給了 信噪比 , 就用 香農(nóng)定理公式計算 ;
• 如果 碼元信息量 和 信噪比都給出來 , 那么計算兩個 數(shù)據(jù)傳輸速率 , 取最小值 ;

二進(jìn)制信號 , 在信噪比 $127:1$ 的 $4000Hz$ 的信道上傳輸 , 求 最大數(shù)據(jù)率 $?$

上述給出了 碼元信息量 , 二進(jìn)制碼元 , 因此可以使用 奈氏準(zhǔn)則 求 數(shù)據(jù)極限傳輸速率 :

$2Wlo{g}_{2}V=2\times 4000\times lo{g}_{2}2=8000b/s$

上述還給出了 信噪比 $127:1$ , 這是一個數(shù)值 , 沒有單位 , 因此該值是 $S/N$ , 可以直接在香農(nóng)定理中使用 ; 計算過程如下 :

$Wlo{g}_2(1+S/N)=4000\times lo{g}_2(1+127/1)=4000\times 7=28000b/s$

上述計算的兩個 極限傳輸速率 取最小值 , 即 $8000b/s$ ;

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 香農(nóng)定理 ( 噪聲 | 信噪比 | 香農(nóng)定理 | “香農(nóng)定理“公式 | “香農(nóng)定理“ 計算示例 | “奈氏準(zhǔn)則“ 與 “香農(nóng)定理“ 對比 與 計算示例)★

九、傳輸介質(zhì)

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參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 傳輸介質(zhì) ( 導(dǎo)向性傳輸介質(zhì) | 雙絞線 | 同軸電纜 | 光纖 | 非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì) | 無線電波 | 微波 | 紅外線 、激光 )

十、物理層設(shè)備

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中繼器 , 集線器

參考博客 : 【計算機網(wǎng)絡(luò)】物理層 : 物理層設(shè)備 ( 中繼器 | 中繼器兩端 | 中繼器使用規(guī)則 5-4-3 規(guī)則 | 集線器 )

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的【计算机网络】物理层 : 总结 ( 物理层特性 | 码元速率 | 通信方式 | 数据传输方式 | 信号类型 | 编码与调制 | 奈氏准则 | 香农定理 | 传输介质 | 物理层设备 ) ★★★的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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