計算機網絡 - 物理層筆記

概念

數據與信號

• 數據：傳送信息的實體。
• 信號：數據的電氣或者電磁表現，是數據在傳輸過程當中的存在形式。

模擬與數字

• 模擬數據（模擬信號）：連續變化的數據（信號）。
• 數字數據（數字信號）：取值是有限離散數值的數據（信號）。

調製與編碼

• 調製：把數據變換爲模擬信號的過程稱爲調製，反之爲解調。
• 編碼：把數據變換爲數字信號的過程稱爲編碼，反之爲解碼。

碼元

碼元是指用一個固定時長的信號波形（數字脈衝）表示一位 k 進制數字，是數字通訊中的計量單位。

傳輸速率

碼元傳輸速率：單位時間內數字通訊系統所傳輸的碼元個數，單位爲波特（Baud）。1 波特表示數字通訊系統每秒傳輸 1 個碼元。

信息傳輸速率：表示單位時間內數字通訊系統傳輸的二進制碼元個數（即比特數），單位是比特/秒（b/s）。

因此若一個碼元攜帶 n 比特的信息，則 M 波特率的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸數率爲 Mn 比特/s。

信道的極限容量問題

1）奈奎斯特定理

奈奎斯特（Nyquist）定理，又稱奈氏準則。它指出在 理想低通（沒有噪聲、帶寬有限）的信道中的 極限碼元傳輸率 爲 2W 波特。而 1 碼元包含多個比特位，因此對應能夠求得極限數據率爲：（單位 b/s）

其中，W 爲理想低通訊道的帶寬，單位爲 Hz；V 爲每一個碼元離散電平的數目，即每碼元包含的比特數，

【例】 對於某帶寬爲 4000Hz 的低通訊道，採用 16 種不一樣的物理狀態來表示數據。按照奈奎斯特定理，信道的最大傳輸速率是（ ）

【解析】 根據奈奎斯特定理，這條通道的極限碼元傳輸率爲 ，而根據 16 種不一樣的物理狀態可得出每碼元攜帶比特數爲 ，故最大傳輸速率爲

2）香農定理

香農（Shannon）定理給出了帶寬受限且有高斯白噪聲干擾的信道的極限數據傳輸率（單位 b/s）。

其中，W 爲信道的帶寬；S 爲信道所傳輸信號的平均功率；N 爲信道內部的高斯噪聲功率。S/N 爲信噪比，即信號的平均功率與噪聲的平均功率之比。

【注】 信噪比有兩種形式，使用 計算（數值形式）和使用 計算（分貝形式）

1. 數值形式，即通常數值。如噪聲功率爲 1，信號功率爲 100，則信噪比爲 100/1 = 100。
2. 分貝形式，一樣是上面的數字，以分貝形式表示爲 dB。

採用分貝形式是由於不少時候信號比噪聲強得多，好比強 10 億倍，若是用數值形式則數字至關大，這時使用分貝形式會簡潔得多。分貝形式對於表示特別大或特別小的數值極爲有利。

【例1】 一個傳輸數字信號的模擬信道的信號功率是 0.62W，噪音功率是 0.02W，頻率範圍爲 3.5-3.9MHz，該信道的最高數據傳輸速率是（ ）

【分析】 在通訊領域，帶寬是指信號最高頻率與最低頻率之差，單位爲 Hz。因此由頻率範圍可得信道爲 ，由香農公式直接得最高數據傳輸速率爲 。

【例2】 若是鏈接兩個鏈路的頻率帶寬爲 8kHz，信噪比爲 30dB，該鏈路實際數據傳輸速率約爲理論最大數據傳輸率的 50%，那麼該鏈路的實際數據傳輸率爲（ ）

【分析】 有頻率和信噪比，即聯想香農定理。信噪比爲 30dB 是一個分貝形式，可求得 S/N： => ，那麼由香農公式，理論最大數據傳輸率爲 。因此實際數據傳輸率爲 80 / 2 = 40kb/s。

數據與信號

數據和信號都分爲模擬與數字，因此有四種編碼方式：數字數據編碼爲數字信號、數字數據調製爲模擬信號、模擬數據編碼爲數字信號、模擬數據調製爲模擬信號。

脈碼調製

脈碼調製（Pulse Code Modulation, PCM）將模擬數據編碼爲數字信號，最經常使用與對音頻信號進行編碼。它主要包含三個步驟：採樣、量化 和 編碼。

1）採樣：對模擬信號進行週期性掃描，把時間上連續的信號變成時間上離散的信號。

這裏涉及到 採樣定理，也就是上面介紹的 奈奎斯特定理：採樣頻率必須大於等於原始信號中的最大頻率的兩倍，才能保證採樣後的數字信號完整保留原始模擬信號的信息。

2）量化：把採樣取得的電平幅值按照必定的分級標度轉化爲對應的數字值並取整數。這樣就把連續的電平幅值轉換爲了離散的數字量。

採樣和量化的實質就是分割和轉換。

3）編碼：把量化的結果轉換爲與之對應的二進制編碼。

數據交換技術及特色

數據交換技術主要是 電路交換、報文交換 和 分組交換。

1）電路交換

電路交換須要經歷三個過程：

1. 電路創建：先通過呼叫創建一條端到端的電路。
2. 數據傳輸：創建完電路後，數據能夠開始傳輸。傳輸過程當中電路必須始終保持鏈接狀態。
3. 電路拆除：傳輸結束後，由某一方發出拆除請求，而後逐節拆除到對方節點。

2）報文交換

報文交換的數據傳輸單位是報文，報文就是站點一次性要發送的數據塊，其長度不限且可變。發送端將目的地址附加到報文上，網絡節點根據報文上的目的地址信息，把報文發送到下一個節點，一直逐個節點地轉送到目的節點。因此，報文交換 無需先經過呼叫創建鏈接。

3）分組交換

分組交換是報文交換的一種改進，它將報文分紅若干個分組。分組交換是計算機網絡中使用最普遍的一種交換技術。

【例】 採用 1200bps 同步傳輸時，若每幀含 56 位同步信息，48 位控制信位和 4096 位數據位，那麼傳輸 1024 個字節須要（ ）秒

【解析】 1024 個字節包含 1024 * 8 = 8192 位，每幀包含 4096 個數據位，則須要 8192 / 4096 = 2 個幀傳輸，每幀一共 56 + 48 + 4096 = 4200 位，因此一共須要傳輸 4200 * 2 = 8400 位，因此所需時間爲 8400 / 1200 = 7 秒。

物理層設備

物理層包含物理連網媒介，如電纜連線鏈接器、集線器、中繼器 和 放大器。

【例】 爲了使模擬信號傳播地更遠，能夠採用的設備是（ ）

A) 中繼器 B) 放大器 C) 交換機 D) 路由器

【解析】 要使模擬信號傳播地更遠，就須要對其進行放大。放大信號是物理層設備應該執行的功能，因此交換機（數據鏈路層）和路由器（網絡層）被排除。而中繼器和放大器都能放大信號，但須要注意：中繼器放大數字信號，放大器放大模擬信號。

對於信號的放大，模擬信號採用放大器來加強信號中的能量，但同時也會 使噪音份量加強，以至引發信號失真。而數字信號使用的中繼器接收衰減的數字信號，並恢復成 0、1 的標準電平，因此相較而言，數字傳輸比模擬傳輸能得到更高的信號質量。

傳輸介質

傳輸介質（傳輸媒體或傳輸媒介）指數據傳輸系統中發送器和接收器之間的物理通路。能夠分爲兩類：導向傳輸介質和非導向傳輸介質。

導向傳輸介質：雙絞線（TP）、同軸電纜、光纖。 非導向傳輸介質：短波通訊、微波通訊、衛星通信。

【注】 雙絞線由螺旋狀扭在一塊兒的兩根絕緣導線組成，線扭在一塊兒的目的是 減小電磁輻射干擾。