计网——物理层

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前言

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计网——物理层

提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一、通信基础

(一) 基本概念

数据：运送信息的实体
信号：数据的电气或电磁表示，数字信号（离散信号）和模拟信号（连续信号）

信源：信息的来源，产生和发送数据的源头
信宿：信息的接收者，接收和处理数据的终端
信道：传输数据的媒体，包括物理媒体和逻辑媒体
通信双方信息交互方式：

1. 单工通信：只能在一个方向上传输数据（一条信道），如广播
2. 半双工通信：可以在两个方向上传输数据（两条），但不能同时传输，如对讲机
3. 全双工通信：可以在两个方向上同时传输数据（两条），如电话
   数据传输方式：串行传输和并行传输[图片截图]
   同步传输和异步传输：
4. 同步传输：发送方和接收方在时钟信号的控制下同步传输数据，如电话（面向比特流）
5. 异步传输：异步传输数据，如邮件（面向字节流）
   
   

码元：数据通信中数字信号的计量单位，是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）来表示一个二进制位，这个时长内的信号称为k进制码元，而该时长称为码元宽度。
1码元可以携带多个比特的信息量，如在二进制编码时，只有两种不同的码元，一种是0码元，一种是1码元，每个码元可以携带1比特的信息量。
K进制码元——4进制码元——>码元的离散状态有4个——>4种高低不同的信号波形00、01、10、11
（K：码元的离散状态数）

速率也叫数据率,是指数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
码元传输速率：指单位时间内传输的码元数量，也称为波特率（baud）。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元
（1s传输多少个码元），数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关。
信息传输速率：指单位时间内传输的信息量，也称为比特率（bit rate），单位为比特/秒（b/s）
（1s传输多少个比特），单位时间内传输的二进制码元个数，即比特数
信息传输速率=码元传输速率* log₂K
带宽：
1.模拟信号系统中：最高频率和最低频率间的差值，单位是赫兹
2.数字设备中：单位时间内通过的最高数据率，单位是比特每秒

(二) 奈奎斯特定理（奈氏准则）与香农定理

1. 失真 (Distortion)

失去真实性，即信号在传输过程中与原有信号或标准相比，波形、频率、幅度等发生了变化。

• 现象：
  1. 有失真但可识别：信号虽有变形但仍能被接收端正确还原。
  2. 失真大无法识别：干扰过强或传输过快，导致无法正确还原（码间串扰）。
• 影响因素：
  1. 码元传输速率
  2. 信号传输距离
  3. 噪声干扰
  4. 传输媒体质量

2. 奈奎斯特定理（奈氏准则）—— “内忧”

“内忧”：指码间串扰，即系统自身的带宽限制导致信号失真。

• 定义：在理想低通（无噪声）信道中，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限。
• 公式：
  • 理想低通信道最高码元传输速率 =2 W 2W2W(Baud)
  • 理想低通信道最高数据传输速率 =2 W log ⁡ 2 V 2W \log_2 V2Wlog2​V(b/s)
  • (其中W WW为信道带宽，V VV为码元离散电平数目)
• 结论：
  1. 码元传输速率越高，或信号传输距离越远，或噪声干扰越大，或传输媒体质量越差，波形失真就越严重。
  2. 限制：信道通过的频谱范围有限，必须限制码元传输速率。

3. 香农定理 (Shannon Theorem) —— “外患”

“外患”：指噪声干扰，即信道外部的随机噪声。

• 定义：在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中，信息传输速率的上限。
• 公式：
  • 信道的极限信息传输速率C = W log ⁡ 2 ( 1 + S / N ) C = W \log_2(1 + S/N)C=Wlog2​(1+S/N)(b/s)
  • (其中W WW为带宽，S SS为信号功率，N NN为噪声功率，S / N S/NS/N为信噪比)
• 注意：
  • 信噪比(dB) =10 log ⁡ 10 ( S / N ) 10 \log_{10}(S/N)10log10​(S/N)。例如 30dB 意味着S / N = 1000 S/N=1000S/N=1000。
• 结论：
  1. 信道的带宽或信噪比越大，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，就一定存在某种办法来实现无差错的传输。

例1：奈氏准则应用（无噪声）
在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为 3kHz，采用 4 个相位，每个相位具有 4 种振幅的 QAM 调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少？

• 分析：
  • 信号有4 × 4 = 16 4 \times 4 = 164×4=16种变化 (即V = 16 V=16V=16)
  • 带宽W = 3000 W = 3000W=3000Hz
• 计算：
  最大数据传输率 = 2 W log ⁡ 2 V = 2 × 3000 × log ⁡ 2 16 = 2 × 3000 × 4 = 24000 b/s = 24 kb/s \text{最大数据传输率} = 2W \log_2 V = 2 \times 3000 \times \log_2 16 = 2 \times 3000 \times 4 = 24000 \text{ b/s} = 24 \text{ kb/s}最大数据传输率=2Wlog2​V=2×3000×log2​16=2×3000×4=24000b/s=24kb/s

例2：香农定理应用（有噪声）
电话系统的典型参数是信道带宽为 3000Hz，信噪比为 30dB，则该系统的极限数据传输速率是多少？

• 分析：
  • 带宽W = 3000 W = 3000W=3000Hz
  • 信噪比(dB) = 30dB，需先转换为比值形式
  • 30 dB = 10 log ⁡ 10 ( S / N ) ⇒ S / N = 10 30 / 10 = 10 3 = 1000 30 \text{dB} = 10 \log_{10}(S/N) \Rightarrow S/N = 10^{30/10} = 10^3 = 100030dB=10log10​(S/N)⇒S/N=1030/10=103=1000
• 计算：
  极限数据传输速率 = W log ⁡ 2 ( 1 + S / N ) = 3000 × log ⁡ 2 ( 1 + 1000 ) ≈ 3000 × log ⁡ 2 ( 1024 ) = 3000 × 10 = 30000 b/s = 30 kb/s \text{极限数据传输速率} = W \log_2(1 + S/N) = 3000 \times \log_2(1 + 1000) \approx 3000 \times \log_2(1024) = 3000 \times 10 = 30000 \text{ b/s} = 30 \text{ kb/s}极限数据传输速率=Wlog2​(1+S/N)=3000×log2​(1+1000)≈3000×log2​(1024)=3000×10=30000b/s=30kb/s

总结助记：

• 奈氏准则 (内忧)：解决无噪声信道下的带宽限制（避免码间串扰）。
• 香农定理 (外患)：解决有噪声信道下的信噪比限制。

(三) 编码与调制

• 计算示例：若波特率为 1200 Baud，采用 4 相位 4 振幅，则速率= 1200 × log ⁡ 2 ( 4 × 4 ) = 4800 bps = 1200 \times \log_2(4 \times 4) = 4800 \text{ bps}=1200×log2​(4×4)=4800bps。每个码元带4bit
• 比特率=波特率×每个码元携带的比特数

1. 基带信号与宽带信号

• 信道分类：
  • 按传输信号：模拟信道、数字信道
  • 按传输介质：无线信道、有线信道
• 信号分类：
  1. 基带信号 (Baseband Signal)
     • 定义：来自信源的信号，即基本频带信号。包含较多低频成分，甚至直流成分。
     • 特点：像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
     • 适用：近距离传输（因为低频成分在长距离传输中衰减大）。
  2. 宽带信号 (Broadband/Passband Signal)
     • 定义：即带通信号。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。
     • 适用：远距离传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

2. 编码与调制 (Encoding vs Modulation)

数据无论是数字的还是模拟的，为了传输都必须转变成信号。

• 概念区分：

  • 编码 (Encoding)：数据→ \rightarrow→数字信号(如：数字数据编码、模拟数据编码)
  • 调制 (Modulation)：数据→ \rightarrow→模拟信号(如：数字数据调制、模拟数据调制)

• 常见转换方式：

  1. 数字数据→ \rightarrow→模拟信号：使用调制（如 modem）。
  2. 模拟数据→ \rightarrow→数字信号：使用编码（如 PCM）。
     • 步骤：抽样 (Sampling)→ \rightarrow→量化 (Quantization)→ \rightarrow→编码 (Encoding)

3. 基本调制方法 (二元制)

将数字信号转换为模拟信号（基带信号→ \rightarrow→带通信号）。

1. 调幅 (AM/ASK)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
2. 调频 (FM/FSK)：载波的频率随基带数字信号而变化。
3. 调相 (PM/PSK)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
4. 正交振幅调制 (QAM)：调幅 + 调相的结合，能实现更高的数据传输率。

(四) 数据交换方式

1. 电路交换 (Circuit Switching)

• 原理：在数据传输前，必须先在源站点和目标站点之间建立一条直通、独占的物理通路。通话期间，该通路一直被占用，直到通信结束。
• 过程：建立连接→ \rightarrow→数据传输→ \rightarrow→释放连接
• 优缺点：
  • 优点：
    1. 传输时延小：数据直达，无中间存储转发。
    2. 有序传输：无失序问题。
    3. 实时性强：适用于交互式会话类通信。
    4. 全双工通信：无冲突。
  • 缺点：
    1. 建立连接时间长。
    2. 信道利用率低：线路独占，空闲时他人无法使用。
    3. 灵活性差：任何节点故障需重新建立连接。
    4. 无数据存储能力：难以平滑通信量。

2. 报文交换 (Message Switching)

• 原理：无需建立专用通路，以“报文”为数据传输单位。采用存储-转发(Store-and-Forward) 方式，中间节点（交换机）接收整个报文，存储下来，检查无误后转发给下一跳。
• 优缺点：
  • 优点：
    1. 无需建立连接：随时发送。
    2. 动态分配线路：线路利用率高。
    3. 多目标服务：一个报文可发往多个目的地址。
  • 缺点：
    1. 转发时延大：需接收完整报文再转发。
    2. 缓存要求高：报文长度不限，需较大缓冲区。
    3. 只适用于数字信号。

3. 分组交换 (Packet Switching)

• 原理：将大报文分割成固定长度的较小数据块（分组/包），加上控制信息（首部）后，以存储-转发方式传输。接收端根据编号重组。
• 优缺点：
  • 优点：
    1. 高效：线路利用率高。
    2. 灵活：每个分组独立选择路径。
    3. 迅速：传输时延小（相比报文交换，不用等整个大报文）。
  • 缺点：
    1. 存在存储转发时延。
    2. 首部开销：每个分组都要加头，降低了通信效率。
    3. 需处理乱序、丢失等问题。

4. 分组交换的两种方式：数据报与虚电路

5. 数据交换方式的选择

1. 传送大量数据，且传送时间远大于连接建立时间→ \rightarrow→电路交换(或虚电路)。
2. 突发性数据，数据量不大→ \rightarrow→数据报(分组交换)。
3. 信道利用率要求高→ \rightarrow→分组交换(优于电路交换)。

二、传输介质

(一) 导向性传输介质

1. 双绞线 (Twisted Pair)

   • 构造：由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
   • 作用：绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
   • 分类：

     • 无屏蔽双绞线 (UTP)：价格便宜，局域网最常用。

     • 屏蔽双绞线 (STP)：增加金属丝编织的屏蔽层，抗干扰能力强。

   • 特点：模拟传输和数字传输均可。距离太远时，数字传输需用中继器整形，模拟传输需用放大器。

2. 同轴电缆 (Coaxial Cable)

   • 构造：内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层、塑料外层。
   • 分类：
     • 50Ω 同轴电缆：基带同轴电缆，主要用于数字传输。
     • 75Ω 同轴电缆：宽带同轴电缆，主要用于模拟传输（如闭路电视）。
   • 对比：抗干扰性比双绞线好，传输速率更高，距离更远，但价格更贵。

3. 光纤 (Optical Fiber)

   • 原理：利用光导纤维传递光脉冲（全反射原理）。

   • 组成：纤芯（高折射率）+包层（低折射率）。

   • 分类：

     • 单模光纤：光源为激光，定向性好，衰耗小，适合远距离传输。
     • 多模光纤：光源为发光二极管，易失真，适合近距离传输。

   • 特点：传输损耗小、抗雷电电磁干扰、保密性好、体积小重量轻。

(二) 非导向性传输介质

1. 无线电波：穿透能力强，向所有方向传播（如手机通信）。
2. 微波：频率高、频带宽。固定方向传播。
   • 地面微波接力通信。
   • 卫星通信：容量大、距离远、覆盖广；但时延大(250-270ms)、受气候影响。
3. 红外线/激光：定向传播。

三、物理层设备

(一) 中继器 (Repeater)

• 功能：对信号进行再生和还原（不仅仅是放大），以消除衰减和失真，延长网络传输距离。
• 特点：
  1. 两端网络部分是网段，而不是子网。
  2. 两端网段速率要相同，协议要一致。
  3. 5-4-3 规则：限制了中继器的使用数量。

(二) 集线器 (Hub)

• 实质：一个多端口的中继器。
• 功能：对信号进行再生整形放大，并转发到其他所有（除输入端口外）处于工作状态的端口上。
• 特点：
  1. 广播方式：不能分割冲突域。
  2. 共享带宽：所有端口共享总带宽。
  3. 半双工：同一时刻只能有一个方向传输。