【计算机网络】物理层 : 总结 ( 物理层特性 | 码元速率 | 通信方式 | 数据传输方式 | 信号类型 | 编码与调制 | 奈氏准则 | 香农定理 | 传输介质 | 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 ;

参考博客 : 【计算机网络】物理层 : 基本概念 ( 概述 | 概念 | 机械特性 | 电气特性 | 功能特性 | 规程特性 )

二、码元传输速率与信息传输速率 ★

1 . 码元传输速率 : 1 1 1 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 , 1 1 1 波特 就是 1 1 1 码元 / 秒 ;

"波特" 简介 : 1 1 1 波特 , 表示 数字通信系统 1 1 1 秒中 传输 1 1 1 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 : 1 1 1 波特下 , 二进制码元每秒传输 1 比特数据 , 4 4 4 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 : 1 1 1 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 1 1 1 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 : 1 1 1 码元 携带 n n n 比特 信息量 ;

• 换算关系 : M M M 波特 的 “码元传输速率” 对应 M × n M \times n M×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 1 1 1 :

• 4 4 4 进制码元 : 1 1 1 个码元 有 2 2 2 比特 信息量 ;
• 4 4 4 秒传输 8000 8000 8000 个码元
• 计算 码元传输速率 : 码 元 传 输 速 率 = 8000 4 = 2000   B a u d 码元传输速率 = \cfrac{8000}{4} = 2000 \ Baud 码元传输速率=48000​=2000 Baud
• 计算 信息传输速率 : 信 息 传 输 速 率 = 2000 × 2 = 4000   b / s 信息传输速率 = 2000 \times 2 = 4000 \ b/s 信息传输速率=2000×2=4000 b/s

数字通信系统 2 2 2 :

• 16 16 16 进制码元 : 1 1 1 个码元有 4 4 4 比特 信息量 ;
• 6 6 6 秒传输 7200 7200 7200 个码元
• 计算 码元传输速率 : 码 元 传 输 速 率 = 7200 6 = 1200   B a u d 码元传输速率 = \cfrac{7200}{6} = 1200 \ Baud 码元传输速率=67200​=1200 Baud
• 计算 信息传输速率 : 信 息 传 输 速 率 = 1200 × 4 = 4800   b / s 信息传输速率 = 1200 \times 4 = 4800 \ b/s 信息传输速率=1200×4=4800 b/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 2 2 2 个数字通信系统 信息传输速率更快一些 ;

参考博客 : 【计算机网络】物理层 : 相关参数 ( 码元 | 码元进制 | 速率 | 码元传输速率 | 波特 | 信息传输速率 | 带宽 | 码元速率计算示例 )★

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 0 0 0 和 1 1 1 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 :

参考博客 : 【计算机网络】物理层 : 编码 ( 数字数据 编码 数字信号 | 非归零编码 | 归零编码 | 反向不归零编码 | 曼彻斯特编码 | 差分曼彻斯特编码 | 4B/5B 编码 )

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 ≥ 2 f 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 2 2 2 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 : 1200 1200 1200 Baud ;
• 相位个数 : 4 4 4 个
• 振幅个数 : 4 4 4 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 4 4 4 个相位 , 每个相位可以有 4 4 4 种振幅 , 那么每个码元有 4 × 4 = 16 4 \times 4 = 16 4×4=16 种不同的取值 ;
• 每个码元有 4 4 4 个振幅 , 每个振幅可以有 4 4 4 种相位 , 那么每个码元有 4 × 4 = 16 4 \times 4 = 16 4×4=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 = 2 W l o g 2 V   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=2Wlog2​V 比特/秒

• 2 W 2W 2W 是码元速率 , W W W 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 l o g 2 16 = 4 log_216 = 4 log2​16=4 比特 ;

• 计算过程 : 2 W l o g 2 V = 1200 × l o g 2 16 = 4800 b / s 2W log_2V = 1200 \times log_216 = 4800 b/s 2Wlog2​V=1200×log2​16=4800b/s

信息传输速率是 4800 b / s 4800 b/s 4800b/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 = 2 W   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 = 2 W l o g 2 V   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=2Wlog2​V 比特/秒

V V V 指的是 码元的离散值个数 ;

W W W 指的是 信道带宽 , 单位 赫兹 ( H z Hz Hz ) ;

2 . “奈氏准则” 计算示例

无噪声情况下 , 信道带宽为 3000   H z 3000 \ Hz 3000 Hz , 采用 4 4 4 个相位 , 每个相位有 4 4 4 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 = 16 4 \times 4 = 16 4×4=16 种变化 ; 也就是每个码元有 l o g 2 16 = 4 log_2{16} = 4 log2​16=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 = 2 W l o g 2 V   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=2Wlog2​V 比特/秒 = 2 × 3000 × l o g 2 16 = 2 \times 3000 \times log_216 =2×3000×log2​16 = 2 × 3000 × 4 = 24000   比 特 / 秒 = 2 \times 3000 \times 4 = 24000 \ 比特/秒 =2×3000×4=24000 比特/秒

参考博客 : 【计算机网络】物理层 : 奈氏准则 ( 失真 | “失真“ 影响因素 | 码间串扰 | 奈奎斯特定理 | 码元极限传输速率 | 信息极限传输速率 | 奈氏准则计算示例 )★

七、香农定理 ★★

1 . 香农定理公式 :

信 道 极 限 数 据 传 输 速 率 = W l o g 2 ( 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 )

W W W 带宽 , 单位 是 赫兹 ( Hz ) ;

S / N S/N S/N 是信噪比

S S S 是信道内信号的平均功率

N N N 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 / N S/N S/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 ( d B ) = 10   l o g 10 ( S N ) 信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}(\cfrac{S}{N}) 信噪比(dB)=10 log10​(NS​) 公式 , 计算出 S / N S/N S/N 的值 ;

2 . 香农定理计算示例

信道带宽 3000 H z 3000 Hz 3000Hz , 信噪比 30 d B 30 dB 30dB , 根据香农定理 计算 数据极限传输速率 ? ? ?

计算 S / N S/N S/N :

先根据 信 噪 比 ( d B ) = 10   l o g 10 ( S / N ) 信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}( S/N) 信噪比(dB)=10 log10​(S/N) 公式计算出 S / N S/N S/N 值 ;

信 噪 比 ( d B ) = 10   l o g 10 ( S / N ) = 30 信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}( S/N) = 30 信噪比(dB)=10 log10​(S/N)=30 信 噪 比 ( d B ) = l o g 10 ( S / N ) = 3 信噪比 ( dB ) = log_{10}( S/N) = 3 信噪比(dB)=log10​(S/N)=3 S / N = 1 0 3 = 1000 S/N = 10^{3} = 1000 S/N=103=1000

信道 极限传输速率 计算 :

信 道 极 限 数 据 传 输 速 率 = W l o g 2 ( 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 = 3000   l o g 2 ( 1 + 1000 ) ≈ 30000 b / s = 30 k b / 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=3000 log2​(1+1000)≈30000b/s=30kb/s

参考博客 : 【计算机网络】物理层 : 香农定理 ( 噪声 | 信噪比 | 香农定理 | “香农定理“公式 | “香农定理“ 计算示例 | “奈氏准则“ 与 “香农定理“ 对比 与 计算示例)★

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 = 2 W l o g 2 V 2W log_2V 2Wlog2​V 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 = W l o g 2 ( 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 : 1 127:1 127:1 的 4000 H z 4000Hz 4000Hz 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 :

2 W l o g 2 V = 2 × 4000 × l o g 2 2 = 8000   b / s 2W log_2V = 2 \times 4000 \times log_2 2 = 8000 \ b/s 2Wlog2​V=2×4000×log2​2=8000 b/s

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

W l o g 2 ( 1 + S / N ) = 4000 × l o g 2 ( 1 + 127 / 1 ) = 4000 × 7 = 28000   b / s W log_2( 1 + S/N ) = 4000 \times log_2 ( 1 + 127 / 1 ) = 4000 \times 7 = 28000 \ b/s Wlog2​(1+S/N)=4000×log2​(1+127/1)=4000×7=28000 b/s

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

参考博客 : 【计算机网络】物理层 : 香农定理 ( 噪声 | 信噪比 | 香农定理 | “香农定理“公式 | “香农定理“ 计算示例 | “奈氏准则“ 与 “香农定理“ 对比 与 计算示例)★

九、传输介质

参考博客 : 【计算机网络】物理层 : 传输介质 ( 导向性传输介质 | 双绞线 | 同轴电缆 | 光纤 | 非导向性传输介质 | 无线电波 | 微波 | 红外线 、激光 )

十、物理层设备

中继器 , 集线器

参考博客 : 【计算机网络】物理层 : 物理层设备 ( 中继器 | 中继器两端 | 中继器使用规则 5-4-3 规则 | 集线器 )