第二章 物理层——重点知识提纲 + 练习题

第二章 物理层

2.1 物理层的基本概念

• ※ 1.物理层所要解决的问题
  • 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。
• ※ 2.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。

2.2 物理层下面的传输媒体

• 1.导引型传输媒体
  • ①同轴电缆
  • ※ ②双绞线
    • 双绞线绞合目的。
  • ※ ③光纤
    • 光在光线中传输的基本原理。
    • 分类：多模光纤、单模光纤。
  • ④电力线
• 2.非导引型传输媒体（自由空间）
  • ①无线电波
  • ※ ②微波
    • 直线传播特性。
    • 应用：地面接力通信、卫星通信。
  • ③红外线
  • ④可见光

2.3 传输方式

• ※ 1.串行传输和并行传输
  • ①串行传输：
    • 指比特一个接着一个在一根传输线上进行传输。
    • 适合远距离传输，计算机网络采用这种传输。
  • ②并行传输：
    • 指多个比特同时在多根传输线上传输。
    • 不适合远距离传输，成本太高，计算机内部采用这种传输。
• ※ 2.同步传输和异步传输
  • ①同步传输：
    • 指比特一个接着一个传输，中间没有间隔，各比特持续时长相等。
    • 需要收发双方时钟同步。有两种方法：
      • 1）外同步：在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线。
      • 2）内同步：发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输。例如：曼彻斯特编码。
  • ②异步传输：
    • 以字节为单位进行传输。字节之间的间隔不固定；但每个字节内的比特持续时长是相等的。换句话说，字节间异步，比特间仍是同步的。
    • 为此，需要给每个字节添加起始位和结束位，以便接收端的接收。
• 3.单工、半双工以及全双工传输
  • 单工通信：单向通信，例如广播。
  • 半双工通信：指双向交替通信（不能同时），例如对讲机。
  • 全双工通信：指双向同时通信，例如电话。

2.4 编码与调制

• 1.数据通信中的常用术语
  • 消息：将需要计算机帮助用户处理和传输的文字、图片、音频、视频等统称为消息。
  • 数据：是运送消息的实体。计算机只能处理二进制数据。
  • 信号：信号是数据的电磁表现。
    • 基带信号：来自信源的原始电信号称为基带信号。
      • 1）数字基带信号：在计算机内部，CPU与内存之间所传输的信号属于数字基带信号。
      • 2）模拟基带信号：麦克风采集到声音后所产生的音频信号属于模拟基带信号。
• ※ 2.编码
  • ①数字信号转换为另一种数字信号，在数字信道中传输。
    • 例如：以太网使用曼彻斯特编码、4B/5B、8B/10B等编码。
  • ②模拟信号转换为数字信号，在数字信道中传输。
    • 例如：对音频信号进行编码的脉码调制PCM。
  • 常用编码：
    • 1）不归零编码：在整个码元时间内不会出现零电平。
      • 存在同步问题，需要额外一根传输线来传输时钟信号。计算机不会使用这种编码。
    • 2）归零编码：在每个码元传输结束后信号都要“归零”。
      • 接收方只需在信号归零之后进行采样即可，不需要单独的时钟信号。即自同步信号。
      • 但是，归零编码中大部分的数据带宽都用来传输“归零”而浪费掉了。
    • 3）曼彻斯特编码：在码元中间时刻发生电平跳变。
      • 跳变既表示时钟，也表示数据。
      • 传统以太网（10Mb/s）使用该编码。
    • 4）差分曼彻斯特编码：在码元中间时刻发生电平跳变。
      • 跳变仅表示时钟。
      • 码元开始处电平是否发生变化表示数据。
      • 差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率。

• ※ 3.调制
  • ①数字信号转换为模拟信号，在模拟信道中传输。
    • 例如：WiFi，采用补码键控、直接序列扩频、正交频分复用等调制方式。
  • ②将模拟信号转换为另一种模拟信号，在模拟信道中传输。
    • 例如：语音数据加载到模拟的载波信号中传输；频分服用技术，充分利用带宽资源。
  • 基本调制：属于二元制。
    • 即只能调制出两种基本波形，每种波形表示1比特的信息量。
    • 包括：
      • 调幅AM：由两种不同振幅的波形构成，每个基本波形只能表示1比特信息量。
      • 调频FM：由两种不同频率的基本波形构成，每个基本波形只能表示1比特信息量。
      • 调相PM：由两种不同初相位的基本波形构成，每个基本波形只能表示1比特信息量。
  • 混合调制：属于多元制。
    • 也就是可以调制出多种基本波形。
      • 例如，将相位与振幅进行混合调制的正交振幅调制QAM。
• ※ 4.码元
  • 指在使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散值的基本波形。
  • 简单来说，码元就是一段调制好的基本波形，可以表示比特信息。

2.5 信道的极限容量

• 1.造成信号失真的因素
  • 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
• ※ 2.奈氏准则
  • 在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限。
  • 理想低通信道的最高码元速率等于2W Baud = 2W 码元/秒。
  • 理想带通信号的最高码元速率等于W Baud = W 码元/秒。
    • W是指信道带宽，单位为Hz。
  • 波特率与比特率的关系：看一个码元携带多少个比特的信息量。
• ※ 3.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。
  • 公式为：$c=W\ast lo{g}_2(1+\frac{S}{N})$。
    • c是信道的极限信息传输速率，单位为bit/s；
    • W是信道带宽，单位为Hz；
    • S是信道内所传输信号的平均功率；
    • N是信道内的高斯噪声功率；
    • S/N是信噪比，使用dB（分贝）作为度量单位。
      • S/N使用“dB作为单位”与使用“无单位”的转换公式为：$1(dB)=10\ast lo{g}_{10}\frac{S}{N}(dB)$。
• ※ 4.奈氏准则和香农公式的意义
  • 告诉人们：在信道带宽一定的情况下，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制，也就是更好的调制方法，并努力提高信道中的信噪比。

练习题

1、

至于为什么该图是曼彻斯特编码。这是因为“10BaseT”是以太网，以太网用的就是曼彻斯特编码。记住就行了。

2、

注意单位——奈氏准则是码元/秒，香农公式是bit/s，还有dB。这些单位也要清楚！！！

调制速度：就是码元传输速率。

根据奈氏准则，我们可知最高码元传输速率。而码元可以携带多个bit，因此，码元传输速率可以转换为数据传输速率。

因此，调制速度会影响数据传输速率。

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