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【计算机网络】物理层 : 总结 ( 物理层特性 | 码元速率 | 通信方式 | 数据

时间：2020-06-07 15:39:07

文章目录

一、四种特性二、码元传输速率与信息传输速率 ★三、通信方式与数据传输方式四、信号类型五、编码与调制六、奈氏准则 ★★七、香农定理 ★★八、奈氏准则与香农定理 ★★九、传输介质十、物理层设备

一、四种特性

机械特性 :定义物理连接特性 , 包括采用的规格 , 接口形状 , 引线数目 , 排列情况 , 引脚数量 ;

引脚排列示例 :水晶头的引脚排列情况 , 插座的间距规格等 ;

电气特性 :传输二进制时 , 传输信号的电压范围 , 阻抗匹配 , 传输速率 , 距离限制 ;

电压范围示例 :规定信号电平 +10V ~ +15V 表示二进制数据 0 , 信号电平 -10V ~ -15V 表示二进制数据 1 ;电缆长度示例 :路由器到主机间的电缆长度必须在 20 米以内 ;

功能特性 :描述电平的意义 , 接口部件信号线用途 ;

电平意义示例 :描述当一个接口的引脚处于高电平的含义 ;

注意与电气特性区分 :电气特性是描述根据电压得到电平 , 功能特性是指电平的意义 ;

规程特性 :又称为过程特性, 规定各个物理线路工作规程 , 时序关系 ;

二、码元传输速率与信息传输速率 ★

1 . 码元传输速率 :111 秒传输多少个码元

别名 :码元速率 , 波形速率 , 调制速率 , 符号速率 ;

概念 :单位时间内 , 数字通信系统传输的码元个数 , 单位是波特 ( Baud ) ;

"波特" 是速度单位 , 111 波特就是 111 码元 / 秒 ;

"波特" 简介 :111 波特 , 表示数字通信系统 111 秒中传输 111 个码元 ;

码元个数说明 :又称为脉冲个数或信号变化次数 ;

码元信息量说明 :码元可以是多进制的 , 也可以是二进制的 , 计算机网络中指的是二进制的码元 ;

码元信息量示例 :111 波特下 , 二进制码元每秒传输 1 比特数据 , 444 进制码元每秒传输 2 比特数据 ;

"码元传输速率" 与 “数据传输速率” 无关 ;

2 . 信息传输速率 :111 秒传输多少个比特

别名 :信息速率 , 比特率 ;

概念 :单位时间内 , 数字通信系统 , 传输的二进制码元个数 ;

二进制码元 :其信息量就是 111 比特 ;

单位 :比特/秒 ( bit/s ) ;

"码元传输速率" 与 “信息传输速率” 关系 :

码元信息量 :111 码元携带 nnn 比特信息量 ;

换算关系 :MMM 波特的 “码元传输速率” 对应 M×nM \times nM×n 比特/秒的 “信息传输速率” ;

3 . 码元传输速率信息传输速率计算 :

数字通信系统 111 :

444 进制码元 :111 个码元有 222 比特信息量 ;444 秒传输 800080008000 个码元计算码元传输速率 :码元传输速率=80004=2000Baud码元传输速率 = \cfrac{8000}{4} = 2000 \ Baud码元传输速率=48000=2000Baud计算信息传输速率 :信息传输速率=2000×2=4000b/s信息传输速率 = 2000 \times 2 = 4000 \ b/s信息传输速率=2000×2=4000b/s

数字通信系统 222 :

161616 进制码元 :111 个码元有 444 比特信息量 ;666 秒传输 7200 个码元计算码元传输速率 :码元传输速率=7=1200Baud码元传输速率 = \cfrac{7200}{6} = 1200 \ Baud码元传输速率=67200=1200Baud计算信息传输速率 :信息传输速率=1200×4=4800b/s信息传输速率 = 1200 \times 4 = 4800 \ b/s信息传输速率=1200×4=4800b/s

对比上述两个数字通信系统的系统传输速率 : 对比 “信息传输速率” , 第 222 个数字通信系统信息传输速率更快一些 ;

三、通信方式与数据传输方式

1 . 通信方式分类 :依据通信双方信息交互方式 , 将通信方式分类三类 :

单工通信半双工通信双工通信

单工通信 :只有一个方向的通信 , 只有一条信道 , 不能反方向通信 ;

半双工通信 :通信双方都可以发送和接收信息 , 但是不能同时发送和接收信息 , 有发送和接收两条信道 ;

全双工通信 :通信双方都可以同时发送和接收信息 , 有发送和接收两条信道 ;

2 . 数据传输方式 :

① 串行传输 :

传输方式 :比特流串行传输 , 发送方同时发送一个比特 , 接收方同时接收一个比特 ;特点 :速度慢 , 费用低 , 适合远距离传输 ;使用场景 :网线 ;

② 并行传输 :

传输方式 :发送方同时发送多个比特 , 接收方同时接收多个比特 ;特点 :速度快 , 费用高 , 适合近距离传输 ;使用场景 :计算机内部传输 , 如显示器串口线 , 连接打印机扫描仪的并口 ;

参考博客 :【计算机网络】物理层 : 数据通信 ( 数据通信模型 | 信源 | 信宿 | 信道 | 通信方式 | 单工 | 半双工 | 全双工 | 数据传输方式 | 串行 | 并行 )

四、信号类型

1 . 基带信号 ( 基带传输 ) :将数字信号 000 和 111 使用不同的电压表示 , 然后再送到数字信道上去传输 ;

"基带信号" 来源 :基带信号是来自信源的信号 , 计算机输出的文字 , 图像等数据信号都是基带信号 ;

基带信号直接表达要传输的信息的信号 ;

基带信号在数字信道上传输 , 称为基带传输 ;

2 . 宽带信号 ( 宽带传输 ) :将基带信号进行调制后 , 形成频分复用模拟信号 , 再送到模拟信道上传输 ;

载波调制 :基带信号经过载波调制后 , 将信号频率范围移动到较高频段 , 以便于在信道中传输 ;

宽带信号在模拟信道上传输 , 称为宽带传输 ;

参考博客 :【计算机网络】物理层 : 编码与调制 ( 基带信号 | 宽带信号 | 编码 | 调制 )

五、编码与调制

1 . 编码与调制

编码 :将数据转为数字信号 , 称为 “编码” ;

调制 :将数据转为模拟信号 , 称为 “调制” ;

数字数据编码 :使用数字发送器编码为数字信号 ;

数字数据调制 :使用调制器调制为模拟信号 ;

模拟数据编码 :是哦用 PCM 编码器编码为数字信号 ;

模拟数据调制 :使用放大器调制器调制为模拟信号 ; ( 将低频信号调制成高频信号 )

参考博客 :【计算机网络】物理层 : 编码与调制 ( 基带信号 | 宽带信号 | 编码 | 调制 )

2 . 数字数据编码为数字信号 :

3 . 模拟数据编码为数字信号 :

PCM 编码过程主要有三个步骤 :

① 抽象

② 量化

③ 编码

采样定理 :为了使所有的离散信号 , 能够不失真地代表被抽样的模拟数据 , 需要使用采样定理 :

f采样频率≥2f信号最高频率f_{采样频率} \geq 2f_{信号最高频率}f采样频率≥2f信号最高频率

采样定理规定了采样频率必须大于等于信号最高频率的 222 倍 ;

一个采样周期内有两个值 , 就可以还原正弦波 ;

参考博客 :【计算机网络】物理层 : 编码 ( 模拟信号编码为数字信号 | 音频信号 PCM 编码 | 抽样 | 量化 | 编码 | 采样定理 )

4 . 数字信号编码为模拟信号

数字数据调制技术 :

① 调制 :发送端将数字信号转为模拟信号 ;

② 解调 :接收端将模拟信号转为数字信号 ;

调制技术 :

调幅调频调相

5 . 数字信号编码为模拟信号计算示例

调幅 + 调相结合在一起使用的调制方法是 QAM 调制 ;

QAM 调制示例 :

信道波特率 :120012001200 Baud ;相位个数 :444 个振幅个数 :444 种计算信息传输速率 ???

计算过程

先计算每个码元携带的信息量 :调相 + 调幅结合使用 ; 有以下两种理解方式 ;

每个码元有 444 个相位 , 每个相位可以有 444 种振幅 , 那么每个码元有 4×4=164 \times 4 = 164×4=16 种不同的取值 ;每个码元有 444 个振幅 , 每个振幅可以有 444 种相位 , 那么每个码元有 4×4=164 \times 4 = 164×4=16 种不同的取值 ;

使用奈氏准则计算信息传输速率 :

奈氏准则计算公式为 :理想低通信道信息极限传输速率=2Wlog2V比特/秒理想低通信道信息极限传输速率 = 2 W log_2V \ 比特/秒理想低通信道信息极限传输速率=2Wlog2V比特/秒

2W2W2W 是码元速率 , WWW 是带宽 , 其中码元速率已经给出 , 是 1200 波特 , 直接使用即可 , 这里计算下每个源码携带的信息量 , 是 log216=4log_216 = 4log216=4 比特 ;

计算过程 :2Wlog2V=1200×log216=4800b/s2W log_2V = 1200 \times log_216 = 4800 b/s2Wlog2V=1200×log216=4800b/s

信息传输速率是 4800b/s4800 b/s4800b/s ;

参考博客 :【计算机网络】物理层 : 调制 ( 数字数据调制模拟信号 | 调幅 | 调频 | 调相 | 调幅 + 调相 QAM | 计算示例 | 模拟信号调制为模拟信号 )

六、奈氏准则 ★★

1 . 奈氏准则用于限制码元传输速率上限 , 单位是波特 ;

公式如下 :

理想低通信道码元极限传输速率=2W波特理想低通信道码元极限传输速率 = 2 W \ 波特理想低通信道码元极限传输速率=2W波特

信息传输速率上限计算 , 单位是比特/秒 ;

公式如下 :

理想低通信道信息极限传输速率=2Wlog2V比特/秒理想低通信道信息极限传输速率 = 2 W log_2V \ 比特/秒理想低通信道信息极限传输速率=2Wlog2V比特/秒

VVV 指的是码元的离散值个数 ;

WWW 指的是信道带宽 , 单位赫兹 ( HzHzHz ) ;

2 . “奈氏准则” 计算示例

无噪声情况下 , 信道带宽为 3000Hz3000 \ Hz3000Hz , 采用 444 个相位 , 每个相位有 444 种振幅 QAM 调制技术 , 计算最大数据传输率 ???

该调制技术是调相和调幅结合在一起 , 每个码元信号有 4×4=164 \times 4 = 164×4=16 种变化 ; 也就是每个码元有 log216=4log_2{16} = 4log216=4 比特的数据量

计算过程如下 :

理想低通信道信息极限传输速率=2Wlog2V比特/秒理想低通信道信息极限传输速率 = 2 W log_2V \ 比特/秒理想低通信道信息极限传输速率=2Wlog2V比特/秒

=2×3000×log216= 2 \times 3000 \times log_216=2×3000×log216

=2×3000×4=24000比特/秒= 2 \times 3000 \times 4 = 24000 \ 比特/秒=2×3000×4=24000比特/秒

七、香农定理 ★★

1 . 香农定理公式 :

信道极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)信道极限数据传输速率 = W log_2( 1 + S/N )信道极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)

单位是比特/秒 ( b/s )

WWW 带宽 , 单位是赫兹 ( Hz ) ;

S/NS/NS/N 是信噪比

SSS 是信道内信号的平均功率

NNN 是信道内的高斯噪声功率 ;

信噪比计算 :

数值信噪比 :如果给出的信噪比是数值 , 没有单位可以直接代入 , 代替上述 S/NS/NS/N ;分贝信噪比 :如果给出的信噪比是 dB 值 , 那么需要根据信噪比(dB)=10log10(SN)信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}(\cfrac{S}{N})信噪比(dB)=10log10(NS) 公式 , 计算出 S/NS/NS/N 的值 ;

2 . 香农定理计算示例

信道带宽 3000Hz3000 Hz3000Hz , 信噪比 30dB30 dB30dB , 根据香农定理计算数据极限传输速率 ???

计算 S/NS/NS/N :

先根据信噪比(dB)=10log10(S/N)信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}( S/N)信噪比(dB)=10log10(S/N) 公式计算出 S/NS/NS/N 值 ;

信噪比(dB)=10log10(S/N)=30信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}( S/N) = 30信噪比(dB)=10log10(S/N)=30

信噪比(dB)=log10(S/N)=3信噪比 ( dB ) = log_{10}( S/N) = 3信噪比(dB)=log10(S/N)=3

S/N=103=1000S/N = 10^{3} = 1000S/N=103=1000

信道极限传输速率计算 :

信道极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)信道极限数据传输速率 = W log_2( 1 + S/N )信道极限数据传输速率=Wlog2(1+S/N)

信道极限数据传输速率=3000log2(1+1000)≈30000b/s=30kb/s信道极限数据传输速率 = 3000 \ log_2( 1 + 1000 ) \approx 30000 b/s = 30kb/s信道极限数据传输速率=3000log2(1+1000)≈30000b/s=30kb/s

八、奈氏准则与香农定理 ★★

1 . “奈氏准则” 核心是针对内部问题 :

① 使用环境 :带宽受限 , 没有外部的噪声干扰 ;

② 针对问题 :为了避免码间串扰 , 将码元的传输速率上限设置成 2W 波特 ( Baud ) ;

理想状态下信道的极限传输速率 = 2Wlog2V2W log_2V2Wlog2V 比特 / 秒

提高数据传输速率 :

提高带宽采用更好的编码技术 , 使单个码元携带更多信息量 ;

"香农定理" 核心是针对外部问题 :

① 使用环境 :带宽受限 , 外部有噪声干扰 ;

② 针对问题 :在外部干扰下 , 为信息传输速率设置上限 ;

非理想状态下信道的极限传输速率 = Wlog2(1+S/N)W log_2( 1 + S/N )Wlog2(1+S/N) 比特 / 秒 ;

提高数据传输速率 :

提高带宽提高信噪比

2 . 计算示例

计算信息极限传输速率 :

如果给了码元信息个数 , 就用奈氏准则计算 ;如果给了信噪比 , 就用香农定理公式计算 ;如果码元信息量和信噪比都给出来 , 那么计算两个数据传输速率 , 取最小值 ;

二进制信号 , 在信噪比 127:1127:1127:1 的 4000Hz4000Hz4000Hz 的信道上传输 , 求最大数据率 ???

上述给出了码元信息量 , 二进制码元 , 因此可以使用奈氏准则求数据极限传输速率 :

2Wlog2V=2×4000×log22=8000b/s2W log_2V = 2 \times 4000 \times log_2 2 = 8000 \ b/s2Wlog2V=2×4000×log22=8000b/s

上述还给出了信噪比 127:1127:1127:1 , 这是一个数值 , 没有单位 , 因此该值是 S/NS/NS/N , 可以直接在香农定理中使用 ; 计算过程如下 :

Wlog2(1+S/N)=4000×log2(1+127/1)=4000×7=28000b/sW log_2( 1 + S/N ) = 4000 \times log_2 ( 1 + 127 / 1 ) = 4000 \times 7 = 28000 \ b/sWlog2(1+S/N)=4000×log2(1+127/1)=4000×7=28000b/s

上述计算的两个极限传输速率取最小值 , 即 8000b/s8000b/s8000b/s ;