计算机网络 —— 物理层

Posted 2021-03-21 jl916

计算机网络 —— 物理层

一、 基本概念

物理层考虑的是怎样才能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。物理层的作用是要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。

数据(data) —— 运送消息的实体。
信号(signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号(analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号(digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code) —— 在使用时间域(时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。
单向通信(单工通信) —— 只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
双向交替通信(半双工通信) —— 通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送。
双向同时通信(全双工通信) —— 通信的双方可以同时发送和接收信息。
基带信号(基本频带信号) —— 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。

二、 常用编码方式

• 不归零制：正电平代表 1，负电平代表 0。
• 归零制：正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，而位开始边界没有跳变代表 1。
  

三、 信道极限容量

理论上，码元在信道上传输速率的限制因素：

• 信道能够通过的频率范围：奈氏准则
• 信噪比：(信噪比(dB) = 10 log_{10}(S/N ) (dB))

香农公式：(C = W log_2(1+S/N) (bit/s)) 其中W为信道带宽(Hz)，S为信道内所传信号平均功率，N为信道内部高斯噪声功率

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。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

四、 传输媒体

导引型传输媒体

• 双绞线：最常用的传输媒体，模拟传输和数字传输都可以使用，通信距离一般为几到十几公里。
• 同轴电缆：同轴电缆具有很好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率的数据。
• 光缆：光纤是光纤通信的传输媒体。光纤通信系统的传输带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

非导引型传输媒体

利用无线电波在自由空间传播。

五、 信道复用

1. 频分复用、时分复用、统计时分复用
   • 频分复用(FDM)：将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带。即在同样的时间占用不同的带宽资源。
   • 时分复用(TDM)：将时间划分为一段段等长的时分复用帧(TDM帧)。每个用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。即在不同的时间占用同样的频带宽度。
   • 统计时分复用(STDM)：STDM 帧不固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。
2. 波分复用(WDM)：波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。
3. 码分复用(CDM)：各用户使用不同码型，且码片序列正交，因此不会造成干扰。

参考资料：《计算机网络》 谢希仁 著