七、物理层

一、通信基础基本概念

物理层任务：实现相邻节点之间比特（0或1）的传输

1.1 信源、信宿、信号、信道

信源：信号的来源（即数据的发送方）

数据：即信息的实体(如：文字、声音、图像)，在计算机内部数据通常是二进制

信号：数据的载体

• 数字信号：信号值是离散的
• 模拟信号：信号值是连续的

信宿：信号的“归宿”（即数据接收方）

• 传输数字信号：数字信道
• 传输模拟信号：模拟信道

1.2 码元

在一个信号周期内，如果只出现两种信号值，那么只能区分0和1，每种信号对应一个2进制数。

如果一个信号周期内可能出现4种信号，那么每个信号就可以对应一个4进制数（2bit）。

在通信系统中，常用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)表示一位k进制数字，代表离散数值的基本波形就称为码元。

码元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。

1码元可携带若干比特的信息量。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。

优点：每个“信号周期”可以传输更多信息。换句话说，每个码元可以携带更多信息。

代价：需要加强信号功率（因为需要加大电压来减小不同信号间的干扰），并且对信道的要求更高

如果一个“周期”内可能出现K种信号，则：1码元 = $lo{g}_{2}K$ bit

1.3 速率

**波特率：**每秒传输几个码元。

• 单位：码元/秒 或 波特(Baud)

**比特率：**每秒传输几个比特

• 单位：bit/s 或 b/s，bps

注：一个码元携带n比特的信息量，则波特率 M Baud 应的比特率为 Mn b/s.

二、信道的极限容量

• 在《计算机网络》中：

• 带宽(bandwidth)：表示某信道所能通过的**“最高数据率”**，即数据传输能力

• 单位：bps或记为 b/s、bit/s;可加上数量前缀k、M、G、T)

• 在《通信原理》中:

• 带宽(bandwidth)：表示某信道允许通过的信号频带（频率）范围

• 单位：Hz(可加上数量前缀k、M、G、T)

本质一样：信道带宽越大，传输数据的能力越强

2.1 噪声

噪声：对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率

信号传输通道上，如果存在强电场 / 磁场，那么是噪声，影响了数据传输速率。

2.2 奈奎斯特定理

奈奎斯特定理：对于一个理想低通信道（没有噪声，带宽有限的信道）

极限波特率 = 2W（单位：波特，即 码元 / 秒）

• W 是信道的频率带宽（单位：Hz）

一个码元可以携带多少比特数据？

如果一个“信号周期”内可能出现K种信号，则：1码元 = $lo{g}_{2}K$ bit

那么 极限比特率 = 2W $lo{g}_{2}K$ b/s

例题：

2.3 香农定理

香农定理：对于一个有噪声、带宽有限的信道
$$极限比特率=Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})bps$$

• W 是 频率带宽（Hz）
• S / N 是信噪比 = 信号功率 / 噪声功率
• 信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小

信噪比无单位记法：
$$信噪比=\frac{信号的功率}{噪声的功率}$$
信噪比有单位 (dB) 记法：
$$10lo{g}_{10}S/N$$

例题：

信噪比：只能用香农定理，不能奈奎斯特

30dB = 10 log_{10} S/N

S/N = 1000

8k * log_2{1000} * 50% = 40kbps

所以选C

2.4 奈奎斯特定理 vs 香农定理

奈奎斯特定理说明：

• 如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元
• 带宽越大，信道传输码元的能力越强
• 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释

香农定理说明：

• 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率
• 结合奈奎斯特定理，可知，在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的

三、编码和调制

3.1 编码、解码，调制、解调

• 变换器，将二进制数据转换成信号
• 反变换器：将信号转换成二进制数据
• 编码和解码：二进制数据和数字信号间的相互转换
• 调制和解调：二进制数据和模拟信号间的相互转换

我们熟知的有线网络适配器就是一个编码-解码器，光猫(modem)就是一个调制-解调器

3.2 常用编码方法

• 二进制数据
• 不归零(NRZ)编码：高低电平表示二进制10，存在同步问题，需要时钟线来区分。
• 归零(RZ)编码：高低电平表示二进制10，但是在信号周期的中间都会归零，不需要时钟线来区分。
• 反向非归零(NRZI)编码：跳0不跳1看起点，中不变。如上图，就是111101100
• 曼彻斯特编码：跳0反跳1看中间，中必变。
  • 两种标准：上跳0，下跳1 和 下跳0，上跳1
• 差分曼彻斯特编码：跳0不跳1看起点，中必变。
  • 好处：
    • 中间必变，有利于信号同步。
    • 抗干扰能力强，即噪声干扰会弱。

几种编码方法的对比：

例题

编码1显然是NRZ

编码2发现中间跳变可以匹配所以是曼彻斯特编码

故选A

例题

1011 1001

选A

3.3 常用调制方法

3.3.1 基本调制方法

基带信号：来自信源的数字信号，需调制后才能在某些信道上传输

• 调幅AM：K个幅值，则1 码元 = $lo{g}_{2}K$ bit
• 调频FM：K个频率，则1 码元 = $lo{g}_{2}K$ bit
• 调相PM：K个相位，则1 码元 = $lo{g}_{2}K$ bit

3.3.2 正交幅度调制

若设计m种幅值、n种相位，则将AM、PM信号两两“复合”可调制出 mn 种信号，则QAM。

• 1 码元 = $log_2 mn $ bit

正交幅度调制(QAM)：将AM、PM 结合起来，形成叠加信号。

例题

根据奈奎斯特

8M * log_{2} K = 48

K = 2^6 = 64

故选C

例题

根据奈奎斯特

2 * 200k * log4 = 800 kbps

选C

例题

根据奈奎斯特

2 * 3k * log4*4 = 24kbps

选B

四、传输介质

4.1 常用的有线传输介质

• 导向型传输媒体
  • 双绞线
  • 同轴电缆
  • 光纤
• 非导向型传输媒体
  • 无线传输介质，如微波通信（2~40GHz）

4.1.1 双绞线

• 主要构成：两根导线相互绞合而成

  • 有屏蔽层=屏蔽双绞线(STP)
  • 没有屏蔽层=非屏蔽双绞线(UTP)

• 抗干扰能力：较好

  • 绞合、屏蔽层 可以提升抗电磁干扰能力 ，信道噪声功率低，信道极限速率高
  • 绞合：麻花状
    屏蔽层=在麻花外面套一层“金属丝袜”

• 代表应用：近些年的局域网、早期电话线

4.1.2 同轴电缆

• 主要构成：内导体(用于传输信号) + 外导体屏蔽层(用于抗电磁干扰)

• 抗干扰能力：好

  • 屏蔽层带来良好的抗干扰性
  • 内导体越粗，电阻越低发输过程中信号衰减越少，传输距离越长

• 代表应用：早期局域网、早期有线电视

4.1.3 光纤

• 主要构成：纤芯(高折射率) + 包层(低折射率)
  利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号

• 分类：

  • 单模光纤：只有一条光线在一根光纤中传输，适合长距离传输，信号传输损耗小
  • 多模光纤：多条光线在一根光纤中传输，适合近距离传输，远距离传输光信号容易失真

• 抗干扰能力：非常好。光信号对电磁干扰不敏感

• 其他优点：信号传输损耗小，长距离传输时中继器少；很细很省布线空间

光纤示例：

4.2 以太网对有线传输介质的命名规则

速度 + Base + 介质信息

• Base：Baseband，基带传输，即传输数字信号(采用曼彻斯特编码)

• 10Base5——10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m

• 10Base2——10Mbps，同轴电缆，最远传输距离200m(实际是185)

• 10BaseF*—— 10Mbps，光纤。*可以是其他信息，如10Baser FL，10Base FB、10Base FP

• 10BaseT*—— 10Mbps，双绞线。*可以是其他信息，如10Baser T1S，10Base T1L

其他示例：

• 1000BaseT1——1000Mbps，双绞线
• 2.5GBaseT——2.5Gbps，双绞线

4.3 无线传输介质

• 无线电波
  • 特点：传输距离长、穿透能力强、信号指向性弱
  • 如：手机信号、Wifi
• 微波通信
  • 特点：频率带宽高、信号指向性强、保密性差(容易被窃听)
  • 如：卫星通信（卫星作为信号中继器，传播延时较大）
• 其他：红外线通信、激光通信等——信号指向性强

本质上都是用电磁波。电磁波的公式：C=λF，C为光速，入为波长，F为频率

• 电磁波频率、波长呈反比关系
• 频率越高，数据传输能力越强
• 波长越短，“信号指向性”越强，信号越趋于直线传播
• 波长越长，“绕射性”越强，信号穿墙能力越强

结论：

• 长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、高速通信，若用于长距离通信需建立中继站；
• 短波信号指向性强，要求信号接收器“对准”信号源

4.4 物理层接口的特性

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、固定和锁定装置等

电气特性——指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制 等

功能特性——指明某条线上出现的某一电平的电压的意义

过程特性(规程特性)——指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

• 比如插上网线，拔掉网线后，应该作何反应

五、物理层设备

5.1 中继器

传输介质的传输能力有限，难免会出现失真。

我们可以在链路中间通过中继器，对信号进行整形再生，然后继续发送。

Eg：物理层“电气特性”规定——0.5_{1.5V低电平，4.5}5.5V是高电平，不符合此标准的信号视为无效，中继器接收到信号后，会将低电平整形为1V，将高电平整形为5V，然后再输出。

• 中继器只有两个端口。通过一个端口接收信号，将失真信号整形再生，并转发至另一端口(信号再生会产生一些时延)
• 仅支持半双工通信(两端连接的结点不可同时发送数据，会导致**“冲突”**)
• 中继器两个端口对应两个**“网段”**
  • 上图中中继器左边和右边分别为两个网段

5.2 集线器

• 本质上是多端口中继器。集线器将其中一个端口接收到的信号整形再生后，转发到所有其他端口
• 各端口连接的结点不可同时发送数据，会导致**“冲突”**
• 集线器的N个端口对应N个**“网段”，各网段属于同一个“冲突域”**

冲突域：如果两台主机同时发送数据会导致“冲突”，则这两台主机处于同一个“冲突域。

处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行“信道争用”

三个冲突域经主干集线器集中，会得到一个更大的冲突域（碰撞域）

例题

先无视广播域

4个集线器，4个冲突域

5.3 集线器、中继器的一些特性

• 集线器、中继器不能“无限串联”——如：10Base5的5-4-3 原则

  • 5-4-3原则：使用集线器(或中继器)连接10Base5网段时，最多只能串联5个网段，使用4台集线器(或中继器)，只有3个网段可以挂接计算机。

• 集线器 连接的网络，物理上是星形拓扑，逻辑上是总线型拓扑

• 集线器 连接的各网段“共享带宽”

• 集线器 可以连接不同的传输介质，因此两个网段的物理层接口特性可以不同（这就意味着集线器连接的网段，“物理层协议”可以不同）

• 集线器 如果连接了速率不同的网段，会导致所有网段“速率向下兼容”