第二章物理层(待更新)

第二章 物理层

2.1 物理层接口的特性

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
• 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

2.2 信道的概念

• 源点：也叫信源，产生输出的输出的数字比特流。
• 发送器：产生的数据比特流要通过发送器编码后才能在传输系统传输。典型的发送器就是调制器。
• 接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换成能够被目的设备处理的数字比特流。典型的发送器就是解调器。
• 终点：也叫信宿，终点设备从接收器获取传送过来的数字比特流，然后进行相应的处理。
• 信道：信号的传输媒介，可视为一条线路的逻辑部件，一个方向表示一个信道。同一条物理传输介质上可以建立多条信道。

• 通信方式：

• 单向通信：只有一个方向上的通信，如无线电广播，电视广播。只需要一个信道

• 半双工通信（双方交替通信）：双方传送，但同一时刻只允许一方发送。需要两个信道，但是只有一条物理介质。
• 全双工通信：通信的双方可以同时发送和接收信息。需要两个信道，由两条物理介质。

2.3 信道的性能计算

• 速率：也叫数据传输速率，表示单位时间内的传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示
• 码元传输速率：又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（脉冲个数或信号变化的次数），单位是波特（Baud）
• 信息传输速率：也叫比特率，表示单位时间内数字通信系统传输的比特数，单位比特/秒（b/s）

波特和码元的区别：若一个码元携带n比特信息，则M波特率的码元传输速率对应信息传输速率是Mn b/s。注意：曼彻斯特系列编码2个码元表示1bit信息，波特率是比特率的2倍。

• 带宽：有两个表示意义。①原指信号具有的频带宽度，即最大通信频率-最小通信频率，单位Hz。②单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的最高数据率，单位为b/s。
• 奈奎斯特定理（奈氏准则）：在理想低通（无噪声、带宽有限）的信道中:

\(极限码元传输速率=2Wlog_2V(b/s)，W为信道带宽，V表示每个码元离散电平的数目，log_2V即1波特携带的比特数\)

• 香农定理：带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率：\(极限数据传输速率C=Wlog_2(1+\frac{S}{N})\)

\(\frac{S}{N}\)是信噪比，没有单位，如果单位是dB，\(信噪比=10 log_{10}{\frac{S}{N}}(dB)\)

二进制信号在信噪比为 127:1的 4kHz信道上传输，最大数据传输速率可以达到()。\ A.28000b/s\ B.8000b/s\ C.4000b/s\ D.无限大

【2023 统考真题】某无噪声理想信道带宽为 4MHz，采用 QAM 调制，若该信道的最大数据传输速率是 48Mb/s，则该信道采用的 QAM 调制方案是( )。

A. QAM-16

B. QAM-32\ C. QAM-64\ D. QAM-128

答案：C

2.3 编码与调制

• 数字数据编码成数字信号

1. 归零(RZ)编码：用高电平表示1、低电平表示0(或者相反)，每个码元的中间均跳变到零电平(归零)，接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为收发双方提供了自同步机制。因为归零需要占用一部分带宽，所以传输效率受到了一定的影响。
2. 非归零(NRZ)编码。与RZ编码的区别是不用归零，一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高。但 NRZ编码的收发双方存在同步问题，为此需要双方都带有时钟线。
3. 反向非归零(NRZI)编码。与NRZ编码的区别是用电平的跳变表示 0、电平保持不变表示1。跳变信号本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB2.0的编码方式就是NRZI编码。
4. 曼彻斯特编码。每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号(用于同步)，又作为数据信号。可用向下跳变表示1、向上跳变表示 0，或者采用相反的规定。

5. 差分曼彻斯特编码。每个码元的中间都发生电平跳变，与曼彻斯特编码不同的是，电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变:无跳变表示1，有跳变表示0。差分曼彻斯特编码拥有更强的抗干扰能力。

6. 模拟信号编码为数字信号包含三个步骤：采样、量化、编码。常用于音频进行编码的PCM编码。

采样定理:在将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为f，那么采样率\(f_{采样}≥2f\)，才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息(只需记住结论)。采样定理又称奈奎斯特定理。

例题：有一个无噪声的 8kHz信道，每个信号包含8级，每秒采样24k次，那么可以获得的最大传输速率是()\ A.24kb/s\ B.32kb/s\ C.48kb/s\ D.72kb/s

	数字→数字	数字→模拟	模拟→数字	模拟→模拟
转换设备	数字放大器	调制解调器	脉码调制PCM（采样、量化、编码）	放大调制器
技术	编码技术：非归零编码、归零编码、反向非归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码	4种形式：①移幅键控法(ASK)：用载波的两种不同幅度来表示二进制的两种状态。②移频键控法(FSK)：用载波频率附近的两种不同频率来表示二进制的两种状态。③移相键控法(PSK)：用载波信号相位移动来表示数据。④正交振幅调制法(QAM)：QAM结合了相位调制和幅度调制，通过改变载波的幅度和相位来传输信息。	涉及采样定理：\(f_{采样=2f}\)，也称奈奎斯特定理，常用于模拟信号	频分复用技术
场景		主机到调制解调器	音频	电话机到本地端局

2.4 传输介质

	双绞线	同轴电缆	光纤	无线传输介质
构成	由两根采用一定规则并排绞合、互相绝缘的铜导线组成	由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外层构成	利用光导纤维传递光脉冲来进行通信，由纤芯和包层构成	无线电波、微波、红外线和激光
分类	①带有金属丝编址的屏蔽层叫屏蔽双绞线STP②无屏蔽层的聚焦非屏蔽双绞线（UTP）	按特性阻抗分为①50Ω同轴电缆②70Ω同轴电缆	①多模光纤（全反射）②单模光纤
特点	绞合减少相邻导线的电磁干扰，价格便宜，最常用	外导体屏蔽层具有良好的抗干扰特性，传输速率更高，传输距离更远，价格较贵
适用场景	在局域网和传统电话网中普遍使用，模拟/数字传输都适用，	50Ω同轴电缆用于传送基带数字信号，在局域网广泛应用50Ω；70同轴电缆用于传送宽带信号，主要用于有线电视系统	多模光纤适用于近距离传输	移动电话领域

2.5 物理层设备

• 中继器
• 作用：整形、放大并转发信号（数字信号），扩大网络传输的距离。注意：放大器放大的是模拟信号。

因为信号的延迟是有规定的，所以中继器不能无限延长网络。例如在10BASE5以太网规范中，遵行5-4-3规则：4个中继器串联的5段通信介质中，只有三段可以挂计算机。

• 集线器：多端口的中继器。

	中继器/集线器	网桥/交换机	路由器
能否分割冲突域	不能	能	能
能否分割广播域	不能	不能	能
功能	放大再生	根据MAC地址进行路径选择	连接异构网络、路由转发
带宽	N台计算机连接在带宽为M的集线器上同时工作，每台计算机的带宽都是M/N	拥有N个带宽为M的端口的全双工交换机，总带宽是N*M
转发形式	广播（除自己外的端口）	根据交换表单播或广播（除自己外的端口），有自学习功能	根据路由表、转发表
		交换模式：①直通式：只检查目的MAC地址（6B）②存储转发式：整个帧
互联的网段/络	物理介质（0层）可以不同，两网段的速率必须相同（介质访问协议相同）	直通式交换机通信的两个端口速率必须相同，链路层协议要一致。存储转发式交换机通信的两个端口速率可以不同，链路层协议可以不一致	可以互联异构网络