物理层的概述（可以说是对王道计算机网络的笔记）

Posted 2023-03-29 戴佳伟是大帅逼

目录

• 前言
• 物理层概述基本概念
• 数据通信基础知识
• • 数据通信相关术语
  • 三种通信方式
  • 两种传输方式
  • 码元，速率、波特、带宽
  • • **练习题**
  • 奈氏准则和香农定理
  • 奈氏准则（奈奎斯特定理）
  • 香浓定理
• 结尾

前言

本章内容讲述了物理层的概念,也是我上个星期上课的内容，请各位大佬看完之后点点评价，期待大佬的阅读。

物理层概述基本概念

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
1.机械特性
机械特性是一门研究机器或系统的动力与运动传输规律及其参数间最佳匹配的学科。. 它是机械原理学科的一个分支。. 在机器或系统中，把转矩T和相应转速n间的函数关系称为机械特性。. 为了清楚地表示这种关系，有时又以转速n为自变量， 将因变量转矩T、功率P和效η等参数的变化关系用图形曲线表示出来，这时又称它为机械特性曲线。. 机械特性曲线是评定机器或系统性能的一项指标，亦是选用产品、匹配参数确定最佳工作点的主要依据。. 机械特性学科的主要内容有： (1) 机械特性的理论计算和实验确定方法。. (2) 机械特性的类型及其主要性质。. 机械特性最佳匹配的设计计算方法。. 机械特性匹配计算是使动力机-传动装置-工作机在 整个系统运行时达到：①工作点接近各自的最佳工况。.引线数目 引脚数量。
2. 电气特性

电气特性一般来说:是指某个用电设备 (或元件)在电气方面如电压、电流、导电性能等等方面所具有的特性。规定传输二进制位时，线路上的信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。
3. 功能特性
功能特性 (function characteristics) ，指产品的性能指标、设计约束条件和使用保障要求。
4, 规程特性
规程特性： 利用接口传输比特流的 全过程 及各项用于 传输事件发生的合法顺序 ，包括事件的 执行顺序 和数据 传输方式 ，即在物理连接 建立、维持和交换信息 时，DTE/DCE双方在各自电路上的 动作序列 。

数据通信基础知识

数据通信相关术语

典型的数据通信模型

1.1 源点(source)
源点(source)：源点设备产生要传输的数据，例如，从PC机的键盘输入汉字，PC机产生输出的数字比特流。源点又称为源站，或信源。
1.2 发送器
发送器：通常源点产生的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。现在好多PC机使用内置的调制解调器(包括调制器和解调器)，用户在PC机外面看不见调制解调器。
2. 目的系统
2.1 接收器
接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器，它把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。
2.2 终点(destination)
终点(destination)：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出(例如，把汉字在PC机屏幕上显示出来)。终点又称为目的站，或信宿。

3. 信号，根据信号中代表消息的参数的取值方式划分
   3.1 模拟信号，或连续信号
   模拟信号，或连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。
   3.2 数字信号，或离散信号
   数字信号，或离散信号：代表消息的参数的取值是离散的，在使用时间域(或简称为时域)的波形表示数字信号时，则代表不同离散数值的基本波形就称为码元。在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态而另一种代表1状态。

数字信号演示图

**模拟信号 **

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，因此一条通信路线往往包含一条发送通信道和一条接受信道。

三种通信方式

1.单工通信
一、单工通信（simplex）
单工通信只支持信号在一个方向上传输（正向或反向），任何时候不能改变信号的传输方向。
为保证正确传送数据信号，接收端要对接收的数据进行校验，若校验出错，则通过监控信道发
送请求重发的信号。
此种方式适用于数据收集系统，如气象数据的收集、电话费的集中计算等。
例如计算机和打印机之间的通信是单工模式，因为只有计算机向打印机传输数据，而没有相反
方向的数据传输。还有在某些通信信道中，如单工无线发送等。

就像挨打一样，一人被挨打。

二、半双工通信（half-duplex）
半双工通信允许信号在两个方向上传输，但某一时刻只允许信号在一个信道上单向传输。
因此，半双工通信实际上是一种可切换方向的单工通信。
此种方式适用于问讯、检索、科学计算等数据通信系统；
传统的对讲机使用的就是半双工通信方式。由于对讲机传送及接收使用相同的频率，不允许同
时进行。因此一方讲完后，需设法告知另一方讲话结束（例如讲完后加上’OVER’），另一方
才知道可以开始讲话。

三、全双工（full-duplex）
全双工通信允许数据同时在两个方向上传输，即有两个信道，因此允许同时进行双向传输。
全双工通信是两个单工通信方式的结合，要求收发双方都有独立的接收和发送能力。
全双工通信效率高，控制简单，但造价高。
计算机之间的通信是全双工方式。一般的电话、手机也是全双工的系统,因为在讲话时可以听到对方的声音。


形象比喻成两个人同时被打 同时打别人。

两种传输方式

传输方式分两种

1. 串行传输 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

中间小孔中还有 0 1这种数据。

码元，速率、波特、带宽

码元：
在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元。一种代表0状态，另一种代表1状态，大于2 叫做M进制码元。

k进制码元----4进制码元–>码元的离散状态有4个–>4中高低不同的信号波形 00，01，10，11。

速率
速率是指计算机网络中的主机在数字信道上，单位时间内从一端传送到另一端的数据量，即数据传输率，也称数据率或比特率。比特(bit)是数据量的最小单位，s(秒)是时间的最小单位。可以用码元传输速率和信息传输速率

1. 码元传输速率（Symbol transmission rate）简称传码率，又称符号速率等。 它表示单位时间内传输码元的数目，单位是波特 （ Baud ），记为 B 。 这是为了纪念电报码的发明者法国人波特（Baudot），故码元传输速率也称为 波特率 。

**1s传输多少个码元**

1baud=1码元/s
2. 信息传输速率：别名信息速率、比特率，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），单位时比特/秒（b/s）。

**1s传输多少比特**

关系：若一个码元携带n bit 的信息量，则 M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率M*n bit/s。
带宽：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所通过的“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。单位时b/s。

练习题

通信原理一道题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,求系统的码元速率是多少?信息速率是多少?

N进制系统：信息速率=码元速率lbN
四进制码元系统
码元速率就是8000/4=2000B,信息速率就是2000lb4=4000bit/s
十六进制码元系统
码元速率就是7200/6=1200B,信息速率就是1200*lb16=4800bit/s
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,如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率

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16进制码元的通信系统传输速率较快，如果用该系统去传输四进制码元会有更高的码元传输速率。

奈氏准则和香农定理

我们先了解下失真

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

考研必备

震动太快太慢都会导致码间串扰。码间串扰的意思就是接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。
比如说 面前的人从你面前走过，走的太快导致了 重影了 也是码间串扰。

奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈氏准则：在理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输率为2WBaud。其中W是理想低通信道的带宽，单位为Hz。若用V表示每个码元离散电平的数目（码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，比如有16种不同的码元，则需要4位二进制位，因此数据传输率是码元传输率的4倍），则极限数据率为：理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlog2V (单位：b/s).

v=几种码元/码元的离散电平数目。
w —> 带宽。

香浓定理

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线，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大），就可以用更高的速率进行码元的有效传输。

香农定理规定了有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比之间的关系。. 从自然科学的角度看，香农定理用数学公式计量了信息（ 比特 ）的流量，具备典型的工程学意义。
信噪比（dB）=10lg（s/n） 数值等价
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，则信息的极限速率就越高。
2. 对一定的传输宽带和一定的信噪比，但是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，就一定去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他低不少。
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。

找个练习，练下题目

结尾

最后还有一章我还没讲，我会重点一章讲此内容，期待我的作品吧，此作品所有的内容全是来自上课和王道的视频，学习计算机网络既是我的义务，也是为了我未来考研做准备。