B站視頻：計算機網絡微課堂（有字幕無背景音樂版）
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目錄

• 2.1、物理層的基本概念
• 2.2、物理層下面的傳輸媒體
• • 導引型傳輸媒體
  • 非導引型傳輸媒體
• 2.3、傳輸方式
• • 串行傳輸和并行傳輸
  • 同步傳輸和異步傳輸
  • 單向通信（單工）、雙向交替通信（半雙工）和雙向同時通信（全雙工）
• 2.4、編碼與調制
• • **傳輸媒體與信道的關系**
  • 常用編碼
  • 調制
  • 碼元
• 2.5、信道的極限容量
• 補充：信道復用技術
• • 頻分復用、時分復用和統計時分復用
  • 波分復用
  • 碼分復用

2.1、物理層的基本概念

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2.2、物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體也稱為傳輸介質或傳輸媒介，他就是數據傳輸系統中在發送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體課分為兩大類，即導引型傳輸媒體和非導引型傳輸媒體

傳輸媒體不屬于計算機網絡體系結構的任何一層。如果非要將它添加到體系結構中，那只能將其放置到物理層之下。

導引型傳輸媒體

在導引型傳輸媒體中，電磁波被導引沿著固體媒體傳播。

同軸電纜

雙絞線

光纖

多模光纖

• 可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。

單模光纖

• 若光纖的直徑減小到只有一個光的波長，則光纖就像一根波導那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會產生多次反射。這樣的光纖稱為單模光纖。

電力線

非導引型傳輸媒體

非導引型傳輸媒體是指自由空間。

無線電波

微波

紅外線

可見光

LIFI

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2.3、傳輸方式

串行傳輸和并行傳輸

串行傳輸：

• 數據是一個比特一個比特依次發送的，因此在發送端與接收端之間，只需要一條數據傳輸線路即可

并行傳輸：

• 一次發送n個比特，因此，在發送端和接收端之間需要有n條傳輸線路

• 并行傳輸的優點是比串行傳輸的速度n倍，但成本高

數據在傳輸線路上的傳輸采用是串行傳輸，計算機內部的數據傳輸常用并行傳輸

同步傳輸和異步傳輸

同步傳輸：

• 數據塊以穩定的比特流的形式傳輸。字節之間沒有間隔
• 接收端在每個比特信號的中間時刻進行檢測，以判別接收到的是比特0還是比特1
• 由于不同設備的時鐘頻率存在一定差異，不可能做到完全相同，在傳輸大量數據的過程中，所產生的判別時刻的累計誤差，會導致接收端對比特信號的判別錯位

所以要使收發雙發時鐘保持同步

異步傳輸：

• 以字節為獨立的傳輸單位，字節之間的時間間隔不是固定
• 接收端僅在每個字節的起始處對字節內的比特實現同步
• 通常在每個字節前后分別加上起始位和結束位

單向通信（單工）、雙向交替通信（半雙工）和雙向同時通信（全雙工）

在許多情況下，我們要使用“信道（channel）”這一名詞。信道和電路并不等同。信道一般都是用來表示向某一個方向傳送信息的媒體。因此，一條通信電路往往包含一條發送信道和一條接收信道。

從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：

單向通信：

又稱為單工通信，即只能有一個方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電以及電視廣播就屬于這種類型

雙向交替通信：

又稱為半雙工通信，即通信的雙方可以發送信息，但不能雙方同時發送（當然也就不能同時接收）。這種通信方式使一方發送另一方接收，過一段時間后可以再反過來

雙向同時通信：

又稱為全雙工通信，即通信的雙發可以同時發送和接收信息。

單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時通信則需要兩條信道（每個方向各一條）

雙向同時通信的傳輸效率最高

2.4、編碼與調制

常用術語

• 數據 (data) —— 運送消息的實體。

• 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。

• 碼元 (code) —— 在使用時間域（或簡稱為時域）的波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形。

• 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據信號都屬于基帶信號。

• 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 (modulation)。

在計算機網絡中，常見的是將數字基帶信號通過編碼或調制的方法在相應信道進行傳輸

傳輸媒體與信道的關系

信道的幾個基本概念

• 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。

嚴格來說，傳輸媒體不能和信道劃等號

對于單工傳輸，傳輸媒體只包含一個信道，要么是發送信道，要么是接收信道

對于半雙工和全雙工，傳輸媒體中要包含兩個信道，一個發送信道，另一個是接收信道

如果使用信道復用技術，一條傳輸媒體還可以包含多個信道

常用編碼

不歸零編碼

• 正電平表示比特1/0

• 負電平表示比特0/1

中間的虛線是零電平，所謂不歸零編碼，就是指在整個碼元時間內，電平不會出現零電平

實際比特1和比特0的表示要看現實怎么規定

這需要發送方的發送與接收方的接收做到嚴格的同步

• 需要額外一根傳輸線來傳輸時鐘信號，使發送方和接收方同步，接收方按時鐘信號的節拍來逐個接收碼元
• 但是對于計算機網絡，寧愿利用這根傳輸線傳輸數據信號，而不是傳輸時鐘信號

由于不歸零編碼存在同步問題，因此計算機網絡中的數據傳輸不采用這類編碼！

歸零編碼

歸零編碼雖然自同步，但編碼效率低

曼徹斯特編碼

在每個碼元時間的中間時刻，信號都會發生跳變

• 負跳變表示比特1/0
• 正跳變表示比特0/1
• 碼元中間時刻的跳變即表示時鐘，又表示數據

實際比特1和比特0的表示要看現實怎么規定

傳統以太網使用的就是曼切斯特編碼

差分曼徹斯特編碼

在每個碼元時間的中間時刻，信號都會發送跳變，但與曼徹斯特不同

• 跳變僅表示時鐘
• 碼元開始處電平是否變換表示數據
  • 變化表示比特1/0
  • 不變化表示比特0/1

實際比特1和比特0的表示要看現實怎么規定

比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率

總結

調制

數字信號轉換為模擬信號，在模擬信道中傳輸，例如WiFi，采用補碼鍵控CCK/直接序列擴頻DSSS/正交頻分復用OFDM等調制方式。

模擬信號轉換為另一種模擬信號，在模擬信道中傳輸，例如，語音數據加載到模擬的載波信號中傳輸。頻分復用FDM技術，充分利用帶寬資源。

基本調制方法

• 調幅AM：所調制的信號由兩種不同振幅的基本波形構成。每個基本波形只能表示1比特信息量。
• 調頻FM：所調制的信號由兩種不同頻率的基本波形構成。每個基本波形只能表示1比特信息量。
• 調相PM：所調制的信號由兩種不同初相位的基本波形構成。每個基本波形只能表示1比特信息量。

但是使用基本調制方法，1個碼元只能包含1個比特信息

混合調制

上圖碼元所對應的4個比特是錯誤的，碼元不能隨便對應4個比特

碼元

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。

2.5、信道的極限容量

• 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。
• 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。

失真的原因：

• 碼元傳輸的速率越高
• 信號傳輸的距離越遠
• 噪聲干擾越大
• 傳輸媒體質量越差

奈氏準則和香農公式對比：

補充：信道復用技術

本節內容視頻未講到，是《計算機網絡（第7版）謝希仁》物理層的內容

頻分復用、時分復用和統計時分復用

復用 (multiplexing) 是通信技術中的基本概念。

它允許用戶使用一個共享信道進行通信，降低成本，提高利用率。

頻分復用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

• 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（請注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數據的發送速率）。

時分復用TDM (Time Division Multiplexing)

• 時分復用則是將時間劃分為一段段等長的時分復用幀（TDM幀）。每一個時分復用的用戶在每一個 TDM 幀中占用固定序號的時隙。
• 每一個用戶所占用的時隙是周期性地出現（其周期就是TDM幀的長度）的。
• TDM 信號也稱為等時 (isochronous) 信號。
• 時分復用的所有用戶在不同的時間占用同樣的頻帶寬度。

• 時分復用可能會造成線路資源的浪費
  • 使用時分復用系統傳送計算機數據時，由于計算機數據的突發性質，用戶對分配到的子信道的利用率一般是不高的。

統計時分復用 STDM (Statistic TDM)

波分復用

波分復用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

碼分復用

碼分復用 CDM (Code Division Multiplexing)

• 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。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第2章（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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