计算机网络物理层第一章物理层详解_物理层的过程特性举例-程序员宅基地

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目录

物理层

物理层的基本概念

物理层解决如何在各种计算机的传输媒体上传输数据比特流,而不是指具体的传输媒体

  • 物理层的主要任务:确定与传输媒体接口有关的一些特性

物理层定义的一些特性

  1. 机械特性:定义物理连接的特性,规定物理连接时所采用的规格,接口形状,引数条目,引脚数量和排列情况
  2. 电气特性:规定传输二进制位时,线路上信号的电压范围,阻抗匹配,传输速率和距离限制.
    • 某网络在物理层规定,信号的电平用+10V+15V表示二进制0,用-10V-15V表示二进制的1,电线长度限于15m以内
  3. 功能特性:指明某条线上出现的某一电平表示何种意义,接口部件的信号线用途
    • 描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义
  4. 规程特性:(过程特性)定义各条物理线路的工作规格和时序关系

1.通信基础

典型的数据通信模型:

在这里插入图片描述

数据通信相关术语:

  • 数据通信的目的:为了传送消息.
  • 数据:传送消息的实体,通常是有意义的符号序列
  • 信号:数据的电气/电磁的表现,是数据在传输过程中的存在形式.
    • 数字信号:代表消息的参数取值是离散的
    • 模拟信号:代表消息的参数取值是连续的.
  • 信源:产生和发送数据的源头
  • 信宿:接受数据的终点.
  • 信道:信号的传输媒.一般用来表示向一个方向传送信号的介质,因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接受信道(是有方向的)
    • 分类:
      • 按照传输信号可分为:
      1. 模拟信道:传送模拟信号
      2. 数字信道:传送数字信号
      • 按照传输介质:
        1. 无线信道
        2. 有线信道

三种通信方式:

从通信双方信息的交互方式看,可以有三种基本方式:

  1. 单工信道:只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道
  2. 半双工通信:通信的双方都可以发送或接受信息,但任何一方都不能同时发送和接受需要两条信道.
  3. 全双工通信:通信双方可以同时发送和接受信息,也需要两条信道

两种数据传输方式:

  1. 单行传输:速度慢,费用低,适合远距离
  2. 并行传输:速度快,费用高,适合近距离.例如:打印机,扫描仪

单行传输只需要一条信道,并行传输是多条信道同时传输比特流,因此需要多条信道.

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形(数字脉冲),代表不同离散数值的基本波形,是数字通信中数字信号的基本单位,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.当码元的离散状态有M个时(M大于2),此时码元为M进制码元.

1码元可以携带多个比特的信息量.例如,在使用二进制编码时,只有两种不同的码元:一种代表0状态,一种代表1状态.

速率.波特和带宽

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号传输速率表示

码元传输速率:别名码元速率.波形速率.调制速率.符号速率等.他表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数),单位是波特.(Baud)1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元.这里码元可以是多进制的,也可以是二进制的,但码元速率和进制数无关.(1s传输多少个码元)

信息的传输速率:别名信息速率.比特率等,表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(即比特数),单位是比特/秒(bit/s).一秒能传输多少个比特.

关系:假如说一个码元携带n bit的信息,则M Baud的码元传输速率对应的信息传输速率是:n*M bit/s.

带宽:带宽指的是在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,常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力,单位是b/s.

  • 提问那个系统的传输速率更快?

系统传输的是比特流,通常比较的是信息传输速率.

2.两个公式

失真

在实际信道传输数据过程中,由于带宽受限,有噪声,有干扰,会导致发送信号的波形发生变化就叫失真

影响失真程度的因素:

  1. 码元的传输速率
  2. 信号传输距离
  3. 噪声干扰
  4. 传输媒体质量

失真的一种现象-------码间串扰

码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象

在这里插入图片描述

注意区分信号带宽和信道带宽.

奈氏准则(奈奎斯特定理)

奈氏准则:在理想低通(无噪声,带宽受限)条件下,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2w Baud,w是信道带宽,单位是hz

理 想 低 通 信 道 下 的 极 限 数 据 传 输 率 = 2 W l o g 2 V 注 : W 指 的 是 带 宽 , V 指 的 是 几 种 码 元 / 码 元 的 离 散 电 平 数 目 理想低通信道下的极限数据传输率= 2Wlog_2{V} \\ 注:W指的是带宽,V指的是几种码元/码元的离散电平数目 理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2​V注:W指的是带宽,V指的是几种码元/码元的离散电平数目

  1. 在任何信道中,码元传输的速率是有上限的.若传输速率超过此上限,就会出现严重的码间串扰,使接收端对于码元的完全正确识别成为不可能
  2. 信道的频带越宽(即能通过的信号高频分量越多),就可以用更高的速率进行码元间的有效传输.
  3. 奈氏准则给出了码元传输速率的限制,但并没有对信息传输速率给出限制.
  4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约,所以要提高数据的传输速率,就必须使每个码元能够携带更多个比特的信息量,这就需要采用多元制的调制方法.
做一个题

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?
答 : 信 号 有 4 × 4 = 16 种 变 化 ( 调 相 和 调 幅 结 合 在 一 起 ) 最 大 数 据 传 输

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