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计算机网络——物理层

发布时间 2023-10-24 18:02:51作者: 彬彬zhidao

物理层

目录

物理层的基本概念

要解决的问题：解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。

物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

传输媒体

  • 导引型传输媒体
    • 双绞线
    • 同轴电缆
    • 光纤
  • 非引导型传输载体
    • 微波通信

物理层协议的主要任务

  • 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。
  • 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表示何种意义。
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

物理层下面的传输媒体（了解即可）

  • 导引型传输媒体

    • 双绞线

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    • 同轴电缆

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    • 光纤

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    • 电力线

  • 非引导型传输载体

    • 微波通信
    • 无线电波
    • 红外线
    • 可见光

无线电频谱管理机构

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传输方式

串行传输和并行传输

远程传输（例如计算机网络）通常采用串行传输。

计算机内部传输通常采用并行传输。（总线：地址，数据，控制）

同步传输和异步传输

  • 同步传输

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单向（单工）通信、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）

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编码与调制

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常用编码：

不归零编码

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存在同步问题，因此不使用。

归零编码

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自同步，但是编码效率低。

曼彻斯特编码

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码元中间时刻的跳变既表示时钟，又表示数据。

差分曼彻斯特编码

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比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。

练习题

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  • 10BaseT以太网使用的是曼彻斯特编码。
  • 每个码元在中间时刻跳变，按此特点找出每个码元；

假设从0跳变到1是“0”；

则： 0 0 1 1 0 1 1 0

反之：

则： 1 1 0 0 1 0 0 1

所以这道题选A。

基本调制方法

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混合调制—— 正交振幅调制QAM

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信道的极限容量

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奈氏准则

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud = 2W 码元/秒

理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud = W 码元/秒

W：信道带宽（单位为Hz）

Baud：波特，即 码元/秒。

  1. 码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定的关系：
  • 当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的；
  • 当一个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时，数值要乘以n；

  1. 要提高信息传输速率（比特率），就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。

  2. 实际的信道所能传输的最高码元速率，要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。

  • 只要采用更好的调制方法，让码元可以携带更多的比特，岂不是可以无限制的提高信息的传输速率？

    答案是否定的。因为信道的极限信息传输速率还要受限于实际的信号在信道中传输时的信噪比。

香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

c = W ✖ log 2（底） (1 + S/N)

信道带宽或者信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

  • c： 信道的极限传输速率（单位：b/s）
  • W: 信道带宽（单位： Hz）
  • S： 信道内所传信号的平均功率
  • N： 信道内的高斯噪声功率
  • S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位。
  • 信噪比（dB）：= 10 ✖ lg(S/N) (dB)
  1. 信道带宽或信道中信噪比越大。信息的极限传输速率越高。
  2. 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。

练习题

例一

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答案选D，从香农公式可以得出信噪比和频率带宽都会影响信道数据传输速率。

从奈氏准则可以看出，调制速度也就是（码元传输速度）和马元所携带的比特数量，都会影响信道数据传输速率。

信号的传播速率不影响。

传播媒体 电磁波传输速率
自由空间 3✖10^8 m/s
铜线 2.3✖10^8 m/s
光纤 2.0✖10^8 m/s

例二

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解答：

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例三

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答案：

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例四

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解答：

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例五

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答案：D

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章节小结

  • 物理层的基本概念
    • 物理层要解决的问题：解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题，进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。
    • 物理层协议的主要任务
      • 机械特性
      • 电气特性
      • 功能特性
      • 过程特性
  • 物理层下面的传输媒体
    • 引导型传输媒体
      • 同轴电缆
      • 双绞线
      • 光纤
      • 电力线
    • 非引导型传输媒体
    • 无线电频谱管理机构
  • 传输方式
  • 编码与调制
  • 信道的极限容量