计算机网络之物理层

- 日理万妓 2022-12-08 04:19 117阅读 0赞

# 物理层 #

### 文章目录 ###

*  物理层
 *   *  一、物理层的基本概念
     *  二、数据通信的基础知识
     *   *  1. 数据通信系统的模型
         *  2. 几个术语
         *  3. 对基带信号的调制
         *  4. 对基带信号的编码
         *  5. 信道的极限容量
     *  三、物理层下面的传输媒体
     *   *  信道复用技术

## 一、物理层的基本概念 ##

1.  物理层解决如何在传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体
2.  物理层的主要任务是确定与传输媒体的接口的一些特性，如图：  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

## 二、数据通信的基础知识 ##

### 1. 数据通信系统的模型 ###

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]

注意：通信的目的是传送消息

### 2. 几个术语 ###

*  模拟的：代表信息的参数的取值是连续的
 *  数字的：代表信息的参数的取值是离散的
 *  码元：表示波形
 *  单向通信(单工通信)：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互
 *  双向交替通信(半双工通信)：通信的双方都可以发送或接收信息，但不能同时发送或接收
 *  双向同时通信(全双工通信)：通信的双方可以同时发送和接收信息
 *  基带信号：来自信源的信号，像文字或图像文件的信号都属于基带信号，基带信号包含较多 低频成分，需要对其进行调制
 *  带通信号：基带信号经过调制之后，成为较高频的信号，即带通信号，以便在信道中传输

### 3. 对基带信号的调制 ###

最常用的调制方法有三种：

*  调幅(AM)：振幅
 *  调频(FM)：频率
 *  调相(PM)：初始相位  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]

### 4. 对基带信号的编码 ###

主要解释曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码

*  曼彻斯特编码：主要讨论一个bit之内信号跳变的问题  
    bit之内有信号低 → 高跳变为0，bit之内有信号高 → 低跳变为1  
    ![在这里插入图片描述][20200917152505407.png_pic_center]
 *  差分曼彻斯特编码：主要讨论多个bit之间信号跳变的问题  
    bit之间有信号跳变表示下一个bit为0，bit之间无信号跳变表示下一个bit为1  
    ![在这里插入图片描述][20200917152514633.png_pic_center]

注意：

1.  差分曼彻斯特编码抗干扰性能强于曼彻斯特编码
2.  二者都可以判断出是一直发送0(信号有跳变)还是无信号(一直是平的，无跳变)
3.  高 → 低或低 → 高都属于跳变

*  例题  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]

### 5. 信道的极限容量 ###

*  任何信道都不是理想的，码元传输速率越高，或传输距离越远，波形失真越严重  
    ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 4]
 *  奈氏准则给出了理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值：  
    理想低通信道的最高码元传输速率 = 2WBaud  
    (1) W是理想低通信道的带宽，单位是Hz  
    (2) Baud是波特，是码元传输速率的单位
 *  香农公式给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率  
    信道的极限信息传输速率C可表示为：  
    ![在这里插入图片描述][20200917152607185.png_pic_center]  
    (1) W为信道的带宽(以Hz为单位)  
    (2) S为信道内所传信号的平均功率  
    (3) N为信道内部的高斯噪声功率，S/N为信噪比
 *  香农公式表明  
    (1) 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高  
    (2) 只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法实现无差错的传输
 *  奈氏准则和香农公式的应用范围  
    ![在这里插入图片描述][20200917152614326.png_pic_center]

## 三、物理层下面的传输媒体 ##

1.  导向传输媒体：电磁波沿着固体媒体传播

(1) 具体分类  
![在这里插入图片描述][2020091715261924.png_pic_center]

(2) 光纤的工作原理  
![在这里插入图片描述][20200917152624510.png_pic_center]  
![在这里插入图片描述][20200917152627152.png_pic_center]

1.  非导向传输媒体：短波、微波

### 信道复用技术 ###

(1) 复用的概念  
![在这里插入图片描述][20200917152633105.png_pic_center]

(2) 频分复用技术  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 5]

(3) 时分复用技术  
![在这里插入图片描述][20200917152709977.png_pic_center]

注意：由于数据可能丢失，导致分配到信道的利用率较低，如下图：

![在这里插入图片描述][20200917152719636.png_pic_center]  
为此，引入了统计时分复用技术，如图：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 6]

(4) 码分复用技术  
每一个比特时间划分为m个短的时间间隔，称为码片

*  每个站被指派一个唯一的m bit码片序列  
    ① 如果发送比特1，则发送自己的m bit码片序列  
    ② 如果发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码
 *  CDMA的工作原理  
    ![在这里插入图片描述][20200917152737560.png_pic_center]

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80OTM0MzE5MA_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 7]

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