计算机网络之物理层的概念数据通信以及奈氏准则和香农定理408_1

Posted 2021-07-17 bfhonor

一、物理层的基本概念

（一）物理层接口特性

• 物理层解决如何在连接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。
• 物理层主要任务：确定与传输媒体接口有关的一些特性——>定义标准
• 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、引线数目、引脚数量和配列情况。
• 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等。
  【例如：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1，电线长度限于15m以内。】
• 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口不见得信号线得用途。
  【例如：描述一个物理层接口引脚处于高电平时的含义时】
• 规定特性：（过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

二、数据通信基础知识

（一）典型的数据通信模型

（二）数据通信相关术语

• 通信的目的是传送消息（消息：语音、文字、图像、视频等）。
• 数据data：传送信息的实体，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。
  
• 信源：产生和发送数据的源头。
• 信宿：接收数据的终点 。
• 信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
  

（三）设计数据通信系统要考虑的3个问题

1. 三种通信方式

1. 单工通信：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/双向交替通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。
   
3. 全双工通信/双向同时通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。
   

2. 串行传输&并行传输

3. 同步传输&异步传输

• 同步传输：在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。
  
• 异步传输：异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。
  

（四）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计量单位，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。【下面的数字信号波形只有一高一低，那么就有两种码元】
• 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，另一种代表1状态。
  

1. 数字通信系统数据传输速率的两种表示方法

• 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。
• （1）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，它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。【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。
  
• （2）信息传输速率：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（b/s）。【1s传输多少个比特】
• 关系：若一个码元携带nbit的信息量，则MBaud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×nbit/s。

2. 思考题1

• 某一数字通信系统传输的是四进制码元，4s传输了8000个码元，求系统的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？若另一通信系统传输的是十六进制码元，6s传输了7200个码元，求他的码元传输速率是多少？信息传输速率是多少？并指出哪个系统传输速率快?
  ①、2000Baud，4000b/s；1200Baud，4800b/s；十六进制更快
  ②、四进制码元系统
  码元传输速率就是8000/4=2000Baud，信息传输速率就是2000 * log₂4=4000b/s
  ③、十六进制码元系统
  码元传输速率就是7200/6=1200Baud，信息传输速率就是1200 * log₂16=4800bit/s
  ④、系统传输的是比特流，通常比较的是信息传输速率，所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快。

3. 思考题2

• 已知八进制数字信号的传输速率为1600B。试问变换成二进制数字信号时的传输速率是多少？【1600 * log₂8=4800b/s】
• 已知二进制数字信号的传输速率为2400b/s。试问变换成四进制数字信号时，传输速率为多少波特？【2400 / log₂4 = 1200B】

（五）带宽（Bandwidth）

• 模拟信号系统中：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)。
• 数字设备中：表示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”/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒（bps）
• 拥有更宽的带宽，也就是有更大的信息运送能力！

三、奈氏准则&香农定理

（一）失真

• 影响失真程度的因素： 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

1. 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。

（二）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。【只有在这两个公式，这带宽才用Hz！！】
  

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问题，使接收端对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，就必须设法使每个码元能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。
   

（三）香农定理

• 噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。
• 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位，即：
  
• 香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。
  

1. 信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3. 只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5. 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限