計算機網絡之物理層

物理層

• 物理層的主要任務是定義標準

四個特性（標準）

• 物理特性，物理，例如規格、接口形狀、引腳數目、引腳數量和排列狀況；
• 電氣特性，數據，例如線路上的電壓範圍、傳輸速率和距離限制；
• 功能限制：功能，例如指明某條線上的某一電平表示何種意義；
• 規程（過程）特性：順序，不一樣功能的各類可能事件發生的出現順序

典型的數據通訊模型

圖1 數據通訊模型

相關術語

• 數據：傳送信息的實體；
• 信號：數據在傳輸過程的存在形式，數字（離散）信號如圖2，模擬（連續）信號如圖3；

  

  圖2 數字信號

  

  圖3 模擬信號

• 信源：產生和發送數據源頭；
• 信宿：接收數據的源頭；
• 信道：信號傳輸的媒介。按傳輸信號分爲模擬信道和數字信道，按傳輸介質分爲無線信道和有線信道；
• 單工通訊：只有一個方向通訊，沒有反方向，一條信道
• 半雙工通訊：雙向交替通訊，兩條信道
• 全雙工通訊：雙方同時通訊，兩條信道
• 串行傳輸：表示將一個字符的8位二進制數按由低到高位的順序依次發送，速度慢、費用低、適合遠距離；
• 字符：一個字節8位二進制數
• 並行傳輸：表示將一個字符的8位二進制數同時經過8條信道發送，速度快、費用高、適合近距離
• 同步傳輸：數據的傳輸以數據區塊爲單位，先傳輸同步字符，再整批數據送出；
• 異步傳輸：數據將比特分紅小組傳輸。傳送數據時，加一個字符起始位和一個字符終止位；

同步傳輸和異步傳輸都是爲了實現數據同步。

• 碼元：一個碼元能夠攜帶多個比特的信息量，例如4進制碼元能夠攜帶2個比特的信息量（2的二次方等於4）;

速率的表示方法

• 碼元傳輸速率：一秒傳輸到多少個碼元

  單位時間內傳輸的碼元個數，單位波特（Baud）;

• 信息傳輸速率：一秒傳輸多少個比特

  單位時間內二進制碼元個數(比特)，單位比特/秒（b/s）;

• 兩者關係

  若一個碼元攜帶n bit的信息量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應的信息傳輸速率爲M x n bit/s;

帶寬（Bandwidth）

• 模擬信號系統中，帶寬爲最高頻率和最低頻率的差值，單位赫茲
• 數字設備中，某點到另外一點的最高速率除以單位時間經過鏈路的數量，單位是是比特每秒

奈氏準則

在理想低通（無噪聲、帶寬受限）條件下，爲了不碼間干擾，極限碼元傳輸速率爲2W Baud，即碼元傳輸速率有上限。W是信道帶寬，V是幾種碼元或者離散電平數。單位是赫茲，如圖4。

圖4 奈氏準則公式

香農定理

在帶寬受限且有噪聲的信道中，爲了避免產生偏差，信息的傳輸速率有上限值。如圖5

圖5 香農定理公式

信噪比

信噪比=信號的平均功率/噪聲的平均功率，常記爲S/N，並用分貝（dB）做爲度量單位。公式如圖6。

圖6 信噪比公式

選擇

給了信噪比（噪聲條件）用香農定理，沒給就用奈氏準則。若是給了信噪比也給了一個碼元對於過少比特，兩個都用，取最小值。

編碼和調製

• 數據到數字信號是編碼，到模擬信號是調製。
• 數字數據經過數字發送器編碼成數字信號，經過調製器調製成模擬信號
• 模擬數據經過PCM編碼器編碼成數字信號，經過放大器調製器調製成模擬信號

基帶信號

將數字信號1和0直接用兩種不一樣的電壓表示，再送到數字信道上傳輸（基帶傳輸）。基帶信號就是發出了直接表達了要傳輸的信息的信號。近距離傳輸。

寬帶信號

將基帶信號進行調製後造成的頻分複用模擬信號，再傳送到模擬信道上去傳輸（寬帶傳輸）。遠距離傳輸。

數字數據編碼爲數字信號

圖7 編碼方式

• 非歸零編碼就是高電平1，低電平0
• 曼徹斯特編碼就是一次跳變兩次，第一次是對於編碼，第二次反轉
• 差分曼徹斯特編碼就是在下一個編碼前跳變，先後電平不一致0，一致爲1。

數字數據調製爲模擬信號

圖8 調製方式

模擬數據編碼爲數字信號

• 步驟：抽樣，量化，編碼

模擬數據調製爲模擬信號

• 放大器調製器

數據交換

• 電路交換：點對點，傳輸快，要求電路創建；
• 報文交換：存儲轉發，根據路由信息自動選擇快的路由器，數據傳輸的單位是報文。
• 分組交換：與報文交換工做方式基本相同，差異在於限制所傳輸的數據單位的長度，通常選128B。時延小

傳輸媒介

傳輸媒介並非物理層，在物理層下面（第0層）。

導向性傳輸介質

銅線、雙絞線、光纖

非導向性傳輸介質

空氣、真空

物理層設備

中繼器

對信號的再生和還原

集線器

再生，放大信號