第 2 章 物理层
2.1 通信基础
2.1.1 基本概念
- ①. 数据、信号与码元
- 通信目的：传输信息（文字、图像、视频等）
- 数据：传送信息的实体
- 信号：数据的电气或电磁表现
- 分类：
- 模拟数据/信号：取值连续
- 数字数据/信号：取值离散
- 码元：
- 定义：固定时长的信号波形表示k进制数
- 码元宽度：信号周期
- 信息量：1码元可携带若干比特
- ②. 信源、信道与信宿
- 通信系统模型：
- 信源：产生和发送数据的源头
- 信道：信号的传输介质
- 分类：
- 按信号形式：模拟信道、数字信道
- 按传输介质：无线信道、有线信道
- 信号类型：
- 基带信号：未调制的原始电信号
- 宽带信号：调制后的频分复用模拟信号
- 分类：
- 信宿：接收数据的终点
- 数据传输方式：
- 串行传输：逐比特按序传输（长距离）
- 并行传输：多比特同时传输（近距离）
- 通信交互方式：
- 单向通信：单方向（广播）
- 半双工通信：双向但不能同时
- 全双工通信：双向同时
- 通信系统模型：
- ③. 速率、波特与带宽
- 速率：
- 码元传输速率（波特率）：每秒传输码元数（Baud）
- 信息传输速率（比特率）：每秒传输比特数（b/s）
- 关系：比特率 = 波特率 × n（n为每码元比特数）
- 带宽：
- 模拟系统：频率范围（Hz）
- 计算机网络：最高数据率（b/s）
- 速率：
2.1.2 信道的极限容量
- 信道失真影响
- 失真不影响通信质量的条件
- 导致严重失真的因素
- 码元传输速率高
- 信号传输距离远
- 噪声干扰大
- 传输介质质量差
- 奈奎斯特定理(奈氏准则)
- 适用场景: 理想低通(无噪声、带宽有限)信道
- 核心公式: 极限数据传输速率=2Wlog₂V (b/s)
- 关键参数
- W: 信道频率带宽(Hz)
- V: 码元离散电平数量
- 重要结论
①. 码元传输速率存在上限
②. 带宽越大传输能力越强
③. 只限制码元速率不限制信息速率 - 提高数据速率的方法: 多元制调制
- 香农定理
- 适用场景: 带宽受限且有高斯噪声的信道
- 核心公式: 极限数据传输速率=Wlog₂(1+S/N) (b/s)
- 关键参数
- W: 信道频率带宽(Hz)
- S: 信号平均功率
- N: 高斯噪声功率
- 信噪比表示方法
- 无单位记法: S/N
- 分贝记法: 10log₁₀(S/N) dB
- 重要结论
①. 带宽/信噪比越大速率越高
②. 给定条件下速率上限确定
③. 低于极限速率可实现无差错传输
④. 实际速率远低于理论极限
- 奈氏准则 vs 香农定理
- 奈氏准则: 仅考虑带宽与码元速率
- 香农定理: 同时考虑带宽和信噪比
- 共同结论: 单个码元携带比特数有限
2.1.3 编码与调制
- 信号与数据转换
- 编码: 数据→数字信号
- 调制: 数据→模拟信号
- 数字数据转换方式
- 数字发送器→数字信号
- 调制器→模拟信号
- 模拟数据转换方式
- PCM编码器→数字信号
- 放大器调制器→模拟信号
- 四种编码与调制方式
- 数字数据编码为数字信号
- 常用编码方式
- 归零(RZ)编码
- 特点: 码元中间跳变到零电平
- 优点: 提供自同步机制
- 缺点: 占用带宽
- 非归零(NRZ)编码
- 特点: 不归零
- 优点: 编码效率最高
- 缺点: 需要时钟线同步
- 反向非归零(NRZI)编码
- 特点: 电平跳变表示0,不变表示1
- 应用: USB 2.0
- 曼彻斯特编码
- 特点: 码元中间电平跳变
- 应用: 标准以太网
- 差分曼彻斯特编码
- 特点: 码元开始处跳变表示0
- 优点: 抗干扰能力强
- 应用: 宽带高速网
- 归零(RZ)编码
- 常用编码方式
- 模拟数据编码为数字信号
- 步骤
- 采样
- 奈奎斯特定理: 采样频率≥2倍最大频率
- 量化
- 电平幅值→离散数字量
- 编码
- 离散整数→二进制编码
- 采样
- 应用: PCM编码
- 步骤
- 数字数据调制为模拟信号
- 调制方式
- 调幅(AM)/幅移键控(ASK)
- 特点: 改变振幅表示1和0
- 缺点: 抗干扰能力差
- 调频(FM)/频移键控(FSK)
- 特点: 改变频率表示1和0
- 优点: 抗干扰能力强
- 调相(PM)/相移键控(PSK)
- 特点: 改变相位表示1和0
- 变种: DPSK(差分相移键控)
- 正交幅度调制(QAM)
- 特点: AM与PM结合
- 数据传输速率公式: R=Blog₂(mn)
- 调幅(AM)/幅移键控(ASK)
- 调制方式
- 模拟数据调制为模拟信号
- 应用
- 电话机和本地局交换机
- 技术: 频分复用(FDM)
- 应用
- 数字数据编码为数字信号
2.2 传输介质
2.2.1 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
- 传输介质分类
- 导向传输介质
- 铜线或光纤
- 电磁波沿固体介质传播
- 非导向传输介质
- 自由空间（空气、真空或海水）
- 无线传输
- 导向传输介质
- ①. 双绞线
- 特点
- 最常用传输介质
- 两根绝缘铜导线绞合
- 减少电磁干扰
- 分类
- 屏蔽双绞线(STP)
- 非屏蔽双绞线(UTP)
- 性能
- 价格便宜
- 模拟/数字传输
- 通信距离：几千米到数十千米
- 带宽取决于铜线粗细和传输距离
- 特点
- ②. 同轴电缆
- 结构
- 内导体
- 绝缘层
- 外导体屏蔽层
- 绝缘保护套层
- 分类
- 50Ω同轴电缆
- 传送基带数字信号
- 早期局域网应用
- 75Ω同轴电缆
- 传送宽带信号
- 有线电视系统应用
- 50Ω同轴电缆
- 特点
- 良好抗干扰特性
- 传输较高速率数据
- 结构
- ③. 光纤
- 原理
- 利用光脉冲通信
- 1：有光脉冲
- 0：无光脉冲
- 结构
- 纤芯（8-100μm）
- 包层（较低折射率）
- 传输原理
- 全反射现象
- 分类
- 多模光纤
- 多条光线传输
- 适合近距离
- 单模光纤
- 单波长传输
- 适合远距离
- 多模光纤
- 优点
- 通信容量大
- 传输损耗小
- 抗干扰性能好
- 无串音干扰
- 体积小重量轻
- 原理
- ④. 无线传输介质
- 应用场景
- 蜂窝移动电话
- 无线局域网(WLAN)
- 特殊场合移动联网
- (1) 无线电波
- 特点
- 穿透能力强
- 传输距离长
- 全向传播
- 特点
- (2) 微波、红外线和激光
- 共同特点
- 需要视线通路
- 指向性强
- 微波通信
- 频率：2-40GHz
- 容量大
- 直线传播
- 需中继站
- 卫星通信
- 地球同步卫星中继
- 优点
- 容量大
- 距离远
- 覆盖广
- 缺点
- 保密性差
- 传播时延长
- 共同特点
- 应用场景
2.2.2 物理层接口的特性
- 定义
- 在连接各种计算机的传输介质上传输比特流
- 屏蔽硬件设备和传输介质的差异
- 主要任务
- 确定与传输介质接口有关的特性
- 机械特性
- 接线器的形状和尺寸
- 引脚数量和排列
- 固定和锁定装置
- 电气特性
- 各条线上的电压范围
- 传输速率
- 距离限制
- 功能特性
- 电平电压的意义
- 每条线的功能
- 过程特性（规程特性）
- 不同功能事件的出现顺序
- 机械特性
- 确定与传输介质接口有关的特性
2.3 物理层设备
2.3.1 中继器
- 主要功能
- 放大、整形并转发信号
- 消除信号失真和衰减
- 扩大网络传输距离
- 工作原理
- 信号再生（非简单放大）
- 双端口设计
- 数据从一个端口输入
- 从另一个端口发出
- 仅作用于信号电气部分
- 网络特性
- 连接的是网段而非子网
- 仍属于同一局域网
- 故障影响
- 对相邻两个网段产生影响
- 使用限制
- 理论上数量无限
- 实际限制因素
- 信号延迟范围规定
- 5-4-3规则示例
- 10BASE5以太网规范
- 最多4个中继器串联
- 5段介质中3段可接计算机
- 与放大器的区别
- 放大器
- 放大模拟信号
- 原理：放大衰减信号
- 中继器
- 放大数字信号
- 原理：整形再生信号
- 放大器
2.3.2 集线器
- 定义
- 集线器(Hub)实质上是一个多端口的中继器
- 工作原理
- 端口接收数据信号
- 信号整形放大（再生）
- 转发到其他所有工作端口（除输入端口外）
- 多端口输入时会发生冲突导致数据无效
- 功能特点
- 信号放大和转发
- 扩大网络传输范围
- 不具备信号定向传送能力
- 标准的共享式设备
- 组网特性
- 组网灵活
- 所有节点通信集中在中心节点
- 组成共享式网络
- 逻辑上仍是总线网
- 每个端口连接同一网络的不同网段
- 只能半双工工作
- 网络吞吐率受限