计算机网络理论:2.物理层

第二章:物理层

一.通信基础的基本概念

1. 信源、信宿、信号、信道

2. 码元

(1).定义

每一个信号就是一个码元; 可以把"信号周期"称为"码元宽度"

  • 如果一个码元(即一个信号)可能有4种状态,那么可以称其为4进制码元(一个码元携带 2bit数据)

  • 如果一个码元(即一个信号)可能有8种状态,那么可以称其为8进制码元(一个码元携带3bit数据)

(2).码元和比特的关系

一个码元可以携带多少比特数据?
如果一个"周期"内可能出现K种信号,则:
1\\text{码元} = \\log_2 K \\text{ bit}

3. 速率

(1).定义

信源向信宿传输的数据传输速率

(2).分类
①.波特率
  • 每秒传输几个码元;
  • 单位:码元/秒, 或波特(Baud)
②.比特率
  • 每秒传输几个比特
  • 单位:bit/s或b/s, bps

二.信道的极限容量

1. 噪声

(1).定义

对信道产生干扰,影响信道的数据传输效率

###2.奈奎斯特定理(奈氏准则)

无噪声情况下信道的极限波特率

(1)定义

对于一个 理想低通信道(没有噪声、带宽有限的信道)

\\text{极限波特率} = { 2W} (单位:波特,即码元/秒); W是信道的频率带宽(单位:Hz);

\\text{极限比特率} = {2W}\\log_2 K \\text{ b/s}(单位:比特,即比特/秒); K时一个周期内可能出现的信号个数; W是信道的频率带宽(单位:Hz);

(2).例题
(4).总结

奈奎斯特定理说明:

  • 如果波特率太高,会导致"码间串扰",即接收方无法识别码元
  • 带宽越大,信道传输码元的能力越强
  • 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

3. 香农定理

有噪声情况下信道的极限比特率

(1).定义

对于一个有噪声、带宽有限的信道 \\text{极限比特率} = {W}\\log_2 {(1+S/N)})(单位:b/s);

  • W是信道的频率带宽(单位:Hz);
  • **S/N信噪比(S: Signal;N:Noise), 这里是无单位记法; **
(2).信噪比
①.记法1

信噪比=SN=信号的功率噪声的功率\text{信噪比} = \dfrac{S}{N} = \dfrac{\text{信号的功率}}{\text{噪声的功率}}信噪比=NS=噪声的功率信号的功率 (无单位)

  • 信噪比越高,噪声对数据传输的影响越小
  • 信号是数据的载体,在信道上传输
  • 噪声对信道产生干扰,影响信道的数据传输效率
②.记法2

信噪比=10log⁡10(SN)\text{信噪比} = 10\log_{10}\left(\dfrac{S}{N}\right)信噪比=10log10(NS) (单位:dB(分贝))

(3).总结

香农定理说明:

  • 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率,都可以提高信道的极限比特率
  • 结合奈奎斯特定理,可知,在带宽、信噪比确定的信道上,一个码元可以携带的比特数是有上限的

三.编码与调制

1. 编码&解码、调制&解调

2. 常用的编码方法

3. 例题

4. 常用的调制方法

正交幅度调制(QAM):

常用的QAM调制方案:

5. 例题

6. 总结

四.传输介质(传输媒体)

1. 常用的传输介质

(1).导向型(信号朝固定方向传播)
①.双绞线
②.同轴电缆
③.光纤

单模光纤(通常为黄色外皮);家用光纤一般是单模;

多模光纤(橙色、绿色外皮)

双绞线,同轴电缆,光纤抗干扰能力依次增强信号传输损耗依次降低。

(2).以太网对有线传输介质的命名规则
(3).非导向型(信号朝四面八方传播)

2. 物理层接口的特性

五.物理层设备

1. 中继器

2. 集线器

冲突域

以太网交换机可以"隔离"冲突域

3. 集线器、中继器的一些特性

  • 注意:

国内教材(与事实不符):中继器、集线器不能连接物理协议不同的网段,也不能连接速率不同的网段

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