计算机网络——物理层(上)

发布于 2021-05-15  1 次阅读


物理层基本概念

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)

  1. 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、引脚数量和排列情况。

  2. 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、传输速率距离限制等

  3. 功能特性:指明某条线上出现的某一电平表示何种意义,接口部件的信号线的用途。

  4. 规程特性:(过程特性)定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

数据通信基础知识第一话

典型的数据通信模型

数据通信相关术语

数据通信指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1序列的过程。

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

    • 数字信号/离散信号:代表消息的参数的取值是离散的。
    • 模拟信号/连续信号:代表消息的参数的取值是连续的。
  • 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。

设计数据通信系统要考虑的 3 个问题

  1. 采用单工通信/半双工/全双工通信方式?
  2. 采用串行通信/并行通信方式?
  3. 采用同步通信/异步通信方式?

三种通信方式

从通信双方信息的交互方式看,可以有三种基本方式:

  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。

    例如:广播。

  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。

串行传输 & 并行传输

  1. 串行传输:将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。

    速度,费用,适合距离

  2. 并行传输:将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。

    速度,费用,适合距离

同步传输 & 异步传输

  1. 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。

  2. 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。

数据通信基础知识第二话

码元

码元是指用一个固定时长信号波形(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。

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。

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。

    R_B=\dfrac{1}{T}(B)

  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 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为 M\times n bit/s。

带宽(Bandwidth)

  1. 模拟信号系统中:当输入的信号频率高或低到一定程度,使得系统的输出功率 成为输入功率的一半时(即 -3 dB),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)。

  2. 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)。

奈氏准则 香农定理

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

失真的一种现象——码间串扰

信道带宽是信道能通过的最高频率和最低频率之差

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现象

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。

理想低通信道下的极限数据传输率\ =\ 2W\log_2V (b/s)

其中 2W 指带宽,\log_2 V 指几种码元/码元的离散电平数目

  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。

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:

信噪比(dB)=10\log_{10}(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。

信道的极限数据传输速率\ =\ W\log_2(1+\dfrac{S}{N}) (b/s)

其中 W 指带宽(Hz),\dfrac{S}{N} 指信噪比。S 是信道所传信号的平均功率,N是信道内的高斯噪声功率。

  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 \dfrac{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。

编码&调制 (第一话)

基带信号与宽带信号

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。

  1. 基带信号:将数字信号 1 和 0 直接用两种不同的电压表示,再送到数字信道上去传输(基带传输)。

    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。

    基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号,比如我们说话的声波就是基带信号。

  2. 宽带信号:将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,再传送到模拟信道上去传输(宽带传输)。

    把基带信号经过载波调制后,把信号的频率范围搬移较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

在传输距离较近时,计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小,从而信号内容不易发生变化)。

在传输距离较远时,计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大,即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)。

编码与调制

编码&调制 (第二话)

数字数据编码为数字信号

非归零编码【NRZ】

高 1 低 0

编码容易实现,但没有检错功能, 且无法判断一个码元的开始和束,以至于收发双方难以保持同步。

曼彻斯特编码

将一个码元分成两个相等的间隔, 前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元 1;码元 0 则正好相反。

也可以采用相反的规定。

该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变,位中间的跳变既作时钟信号(可用于同步), 又作数据信号,但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。

每一个码元都被调成两个电平,所以数据传输速率只有调制速率的 1/2

差分曼彻斯特编码

同 1 异 0

常用于局域网传输,其规则是:若码元为1,则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同,若为0,则相反。

该编码的特点是,在每个码元的中间,都有一次电平的跳转,可以实现自同步,且抗干扰性强于曼彻斯反向不归零编码特编码。

归零编码【RZ】

信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。

4B/5B编码

比特流中插入额外的比特以打破一连串的 0 或 1,就是用 5 个比特来编码 4 个比特的数据,之后再传给接收方,因此称为 4B/5B。编码效率为 80%。

只采用 16 种对应 16 种不同的 4 位码,其他的 16 种作为控制码(帧的开始和结束,线路的状态信息等)或保留。

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号,而在接收端将模拟信号还原为数字信号,分别对应于调制 解调器的调制和解调过程。

计算机内部处理的是二进制数据,处理的都是数字音频,所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)。

最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM),在计算机应用中,能够达到最高保真水平的就是 PCM 编码,被广泛用于素材保存及音乐欣赏,CD、DVD 以及我们常见的 WAV 文件中均有应用。它主要包括三步:抽样、量化、编码。

  1. 抽样:对模拟信号周期性扫描,把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。 为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据,要使用采样定理进行采样:f_{采样频率} ≥ 2f_{信号最高频率}
  2. 量化:把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值,并取 整数,这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
  3. 编码:把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性,可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术,充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式;模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

习题


大变に气分がいい