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計算機網絡(四):計算機網絡之物理層

計算機網絡之物理層

物理層基本概念

物理層目的:物理層是解決如何在連接計算機的傳輸媒體上傳輸數據比特流

物理層任務:確定與傳輸媒體接口(定義標準),如:插頭的樣式、電壓的範圍等

物理層的標準可以總結為以下四種特性:

  • 機械特性:定義物理連接的特性,規定物理連接時所採用的規格、接口形狀、引線數目、引腳數量和排列情況
  • 電氣特性:規定傳輸二進制位時,線路上信號的電壓範圍、阻抗匹配、傳輸速率和距離限制
  • 功能特性:指明某條線上出現某一電平表示何種意義,接口部件的信號線用途
  • 規程特性:定義各條物理線路的工作規程和時序關係

數據通信過程

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通過上圖,我們不難發現,計算機發出的數字信號(脈衝信號)不能直接發送到對方計算機,需要經過調制解調器(貓)將數字信號轉化為模擬信號發送進入公用電話網,然後選址查詢,再由調制解調器反向解調為數字信號傳入對方計算機

數據通信相關術語

數據:傳送消息的實體,通常是有意義的符號序列

通信:傳輸消息

信號:數據的電器或電磁的表現,是數據在傳輸過程的存在形式

  • 數字信號:消息的參數是離散的(鋸齒波)
  • 模擬信號:消息的參數是連續的(正餘弦函數)

信源:產生和發送數據的源頭

信宿:接收數據的目的地

信道:信號傳輸的媒介,一般用來表示向某個方向傳輸信息的介質,因此一條通信線路往往包含一條發送信道和一條接收信道

  • 按照傳輸信號可分為

    • 模擬信道(傳輸模擬信號)
    • 數字信道(傳輸數字信號)
  • 按照傳輸介質分為

    • 無線信道
    • 有線信道

三種通信方式

1.單工通信:只有一個方向的通信而沒有反方向的交互,僅需要一條信道(BB機)

2.半雙工通信:通信的雙方都可以發送或接收消息,但任何一方都不能同時發送或接收,需要兩條信道(對講機)

3.雙工通信:通信的雙方可以同時發送和接收信息,需要兩條信道(電話)

兩種數據傳輸方式

傳輸方式分為:

  • 串行傳輸:速度慢、費用低、適合遠距離傳輸(傳真機)
  • 並行傳輸:速度快、費用高、適合近距離傳輸(打印機、掃描儀)

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碼元

碼元是指用一個固定時長的信號波形(數字脈衝),代表不同離散數值的基本波形,是數字通信中數字信號的計量單位,這個時長內的信號稱為k進制碼元,而該時長稱為碼元長度,當碼元的離散狀態有M個時(M大於2),此時碼元為M進制碼元

1碼元可以攜帶多個比特的信號量,例:在二進制碼元中,只有1或0兩種狀態,在一個碼元中就只攜帶1或0,所以一個碼元就攜帶一個比特信號量

碼元攜帶多少比特信號量計算公式:

$$
一個碼元攜帶比特信號量 = \log_2 進制數
$$

速率、波特、帶寬

速率:是指數據的傳輸速率,表示單位時間內傳輸的數據量,可以用碼元傳輸速率信息傳輸速率表示

此處注意:傳輸速率與傳播速率不同,傳輸速率是指數據從主機端傳輸到鏈路上的速度,傳播速率是指數據在鏈路上傳播的速率,一般受介質影響,大致接近電磁波的速率

碼元傳輸速率(波特率):表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數(也可稱為脈衝個數或信號變換次數),單位是波特(Baud),1波特表示數字通信系統每秒傳輸一個碼元,這裡的碼元可以是多進制的,也可以是二進制的,但碼元速率與進制數無關

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

碼元傳輸速率與信息傳輸速率關係:信息傳遞速率 = 碼元傳輸速率 * 每碼元攜帶的信號量

帶寬:計算機網絡中,帶寬用來表示通信線路傳送數據的能力,通常是指單位時間內從網絡的某一點到另一點所能通過的"最高數據率",單位是b/s

例題:

失真與碼間串擾

失真:指信號在傳輸過程中與原有信號所發生的偏差

影響失真程度的因素:1.碼元的傳輸速率 2.信號的傳輸距離 3.噪聲干擾 4.傳輸媒體質量

信號帶寬:是信道能通過的最高頻率和最低頻率之差

碼間串擾:接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限的現象,計算機網絡之中,碼間串擾的現象可以形象的表達為,信號的頻率太高或太低,從而使得碼元之間的界限開始模糊了

奈氏準則與香農定理

奈氏準則(奈奎斯特定理)

奈氏準則:在理想低通(無噪聲,帶寬受限)條件下,為了避免碼間串擾,極限碼元傳輸速率為2W Baud,W是信道帶寬,單位是Hz(只有在奈氏準則和香農定理中信道帶寬的單位會用Hz)

$$
理想低通信道下的極限信息傳輸率=2W\log_2 進制數
$$

由奈氏準則可知:

  • 在任何信道中,碼元傳輸的速率是有上限的,若傳輸速率超過此上限,就會出現嚴重的碼間串擾問題,使接收端對碼元的完全正確識別成為不可能
  • 信道的頻帶越寬(即能通過的信號高頻分量越多),就可以用更高的速度進行碼元的有效傳輸
  • 奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制,但並沒有對信息傳輸速率給出限制
  • 由於碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約,所以要提高數據的傳輸速率,就必須使得每個碼元能寫到更多比特的信息量,這就需要採用多元制的調製方法

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香農定理

香農定理:在帶寬受限且有噪聲的信道中,為了不產生誤差,信息的數據傳輸速率有上限值

噪聲存在於所有的電子設備和通信信道中,由於噪聲隨機產生,它的瞬時值有時會很大,因此噪聲會使接收端對碼元的判決產生錯誤,但噪聲的影響又是相對的,若信號較強,那麼噪聲影響會相對較小,因此,信噪比就很重要

信噪比:信號的平均功率/噪聲的平均功率,常記為S/B,並用分貝(dB)作為度量單位

$$
信噪比(dB) = 10\lg (S/N)
$$

$$
信道下的極限信息傳輸率=W\log_2 (1 + S/N)
$$

由香農定理可知:

  • 信道的帶寬或信道中信噪比越大,則信息的極限傳遞速率就越高
  • 對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比,信息傳輸速率的上限就確定了
  • 只要信息的傳輸速率低於信道的極限傳輸速率,就一定能找到某種方法實現無差錯的傳輸
  • 香農定理得出的為極限信息傳輸速率,實際信道的傳輸速率遠遠低於它

香農與奈氏的對比

基帶信號與寬帶信號

信道有兩種分類手段,可按照傳輸信號分為模擬信道和數字信道,按照傳輸介質則可以分為無線信道和有線信道

信道上傳送的信號可分為基帶信號和寬帶信號

  • 基帶信號:將數字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示,再送到數字信道上傳輸(基帶傳輸)來自信源的信號,像計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數據信號都屬於基帶信號,基帶信號就是發出的直接表達了要傳輸的信息的信號,比如我們說話的聲波就是基帶信號。
  • 寬帶信號:將寬帶信號進行調製後形成的頻分複用模擬信號,再傳輸到模擬信道上傳輸(寬帶傳輸),在基帶信號經過載波調製後,把信號的頻率範圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸(即僅在一段頻率範圍內能通過信道)

在傳輸距離較近時,計算機網絡採用基帶傳輸方式(近距離衰減較小,從而信號內容不易發生改變)

在傳輸距離較遠時,計算機網絡採用寬帶傳輸方式(即使信號變化大也能最後過濾出來基帶信號)

編碼與調製

數據可以通過編碼手段轉成數字信號,也可以通過調製手段將數據轉為模擬信號

舉例:

數字數據可以通過數字發送器轉化為數字信號(編碼),也可以通過調製器轉化為模擬信號(調製)

模擬數據可以通過PCM編碼器轉化為數字信號(編碼),也可以通過放大器調製器轉化為模擬信號(調製)

數字數據編碼為數字信號

非歸零編碼(高電平1低電平0)

特點:編碼容易實現,但沒有檢錯功能,且無法判斷一個碼元的開始和結束,以至於收發雙方難以保持同步

歸零編碼

特點:信號電平在一個碼元之內都要恢復到零的編碼方式(相對而言這種編碼信道的利用率不高)

反向不歸零編碼

特點:信號電平反轉表示0,信號電平不變表示1(對於全1數據,可能無法分辨發了多少個1)

曼徹斯特編碼

特點:曼徹斯特編碼將一個碼元分成兩個相等的間隔,前一個間隔為低電平後一個間隔為高電平表示碼元1,碼元0則正好相反!也可以採用相反的規定,該編碼的特點是在每一個碼元的中間出現電平跳變,位中間的跳變既作時鐘信號(可用於同步),又可作數據信號,但它所佔的頻帶寬度是原始的基帶寬度的兩倍,每一個碼元都被調成兩個電平,所以數據傳輸速率只有調製速率的1/2

差分曼徹斯特編碼

特點:常用於局域網傳輸,其規則為,若碼元為1,則前半個碼元的電平與上一個碼元的後半個碼元的電平相同,若為0,則相反!該編碼的特點是,在每個碼元的中間,都有一次電平的跳轉,可以實現自同步,且抗干擾性強於曼徹斯特編碼。

4B/5B編碼

4B/5B編碼比特流中插入額外的比特以打破連串的0或1,就是用5個比特來編碼4個比特的數據,之後再傳給接收方因此稱為4B/5B,編碼效率為80%,只採用16種對應16種不同的4位碼,其他的16種作為控制碼(幀的開始和結束,線路的狀態信息等)或保留

數字數據調製為模擬信號

數字數據調製技術在發送端將數字信號轉換為模擬信號,而在接收端將模擬信號還原為數字信號,分別對應於調制解調器的調製過程和解調過程調幅,調頻調相原理實例見上圖

模擬數據編碼為數字信號

計算機內部處理的是二進制數據,處理的都是數字音頻,所以需要將模擬音頻通過採樣、量化轉換成有限個數字表示的離散序列(即實現音頻數字化)

最典型的例子就是對音頻信號進行編碼的脈碼調製(PCM),在計算機應用中,能夠達到最高保真水平的就是PCM編碼,被廣泛用於素材保存及音樂欣賞,CD、DVD以及我們常見的WA文件中均有應用!它主要包括三步:抽樣、量化、編碼

1.抽樣:對模擬信號週期性掃描,把時間上連續的信號變成時間上離散的信號為了使所得的離散信號能無失真地代表被抽樣的模擬數據,要使用採樣定理進行採樣:f採樣頻率 2信號最高頻率

2.量化:把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級標度轉化為對應的數字值,並取整數,這就把連續的電平幅值轉換為離散的數字量

3.編碼:把量化的結果轉換為與之對應的二進制編碼

模擬數據調製為模擬信號

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