【b站-湖科大教书匠】2 物理层-计算机网络微课堂

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目录

2 物理层

2.1 物理层的基本概念

2.2 物理层下面的传输媒体

2.2.1 同轴电缆

2.2.2 双绞线

2.2.3 光纤

光在光纤中传输的基本原理

2.2.4 电力线

2.2.5 无线电波

2.2.6 微波

2.2.7 红外线

2.2.8 可见光

2.2.9 无线电频谱管理机构

2.3 传输方式

2.3.1 串并行传输

2.3.2 同异步传输

2.3.3 单工-半双工-双工通信

2.4 编码与调制

2.4.1 编码与调制

2.4.2 码元

2.4.3 常用编码

1 不归零编码NRZ

2 归零编码RZ

3 曼彻斯特编码

4 差分曼彻斯特编码

2.4.4 基本调制方法

2.4.5 混合调制方法

1 正交振幅调制

2.5 信道的极限容量

2.5.1 码间串扰

2.5.2 奈氏准则

1 基本调制方法

2 混合调制方法

2.5.3 香农公式        

2.6 习题课

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2 物理层

2.1 物理层的基本概念

计算机网络中，用来连接各种网络设备的传输媒体种类众多，大致分为两类：导引型传输媒体和非导引型传输媒体。

计算机网络的物理层，专门解决在各种传输媒体上传输比特0和1的问题。进而给数据链路层提供透明传输比特流的服务。所谓透明，是指数据链路层看不见也无需看见物理层使用的什么方法来传输比特0和1的，只管接受物理层提供的比特流传输服务即可。

物理层为了解决传输媒体上传输比特0和1的问题，主要有以下4个任务：机械、电气、功能和过程特性。

由于传输媒体种类众多，例如双绞线、光纤等，物理连接方式也很多，例如点对点连接，广播连接等。因此物理层协议较多。每种物理层协议都包含了上述4个任务的具体内容。对于具体的物理层协议，做到了解即可。

2.2 物理层下面的传输媒体

了解即可。

注意：传输媒体不属于计算机网络体系结构的任何一层。

2.2.1 同轴电缆

2.2.2 双绞线

双绞线是最古老最常用的传输媒体。将两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，按照一定规则绞合起来就构成了双绞线。

目前家庭局域网主流带宽为1Gb/s，选用大品牌质量好的超5类双绞线电缆可以满足。

考虑到未来发展，在经济条件允许的情况下，可以选择6A类双绞线电缆，以满足万兆局域网的需求。

2.2.3 光纤

由于光纤非常细，因为必须将它做成很结实的光缆。一根光缆少则只有一根光纤，多则可包括数十甚至数百根光纤，再加上加强芯和填充物可以大大提高机械强度。 必要时还可放入远供电源线。最后加上包带层和外护套，就可以使抗拉强度达到几千克。完全可以满足工程施工的强度要求。

光纤的纤芯非常细。

       

光在光纤中传输的基本原理

2.2.4 电力线

非导引型传输媒体

即自由空间。可以利用电磁波在自由空间的传播来传送数据信息。

如下是电磁波的频谱。

左边的频率范围的电磁波不用于电信领域，

右边的频率范围的电磁波很难产生和调制。频率越高，波长越短，因此穿透障碍物能力就越弱。且该频段的电磁波对生物有害。

中间段的电磁波。可以通过调制波的振幅、频率或相位来传输信息。

2.2.5 无线电波

无线电波（从长波到米波），用于国际广播、海事和航空通讯、电台广播和电视广播等。

无线电波的低频和中频段，主要利用地面波进行传输。而高频和甚高频频段，主要靠电离层的反射。

2.2.6 微波

微波用途：从分米波到毫米波，又称为微波，用于无线电话、无线网络、雷达、人造卫星接收、射电天文、人体扫描等。

微波通信：微波通信在数据通信中占据重要地位，频率范围为300MHz~300GHz，主要使用2~40GHz范围。

微波特点：微波在空间主要是直线传播。微波会穿透电离层进入宇宙空间，因此它不能经过电离层的反射传播到地面上很远的地方。

微波通信方式：传统的微波通信主要有2种方式：地面微波接力通信；卫星通信。

        地面微波接力通信：微波在空间直线传播，而地球表面是曲面，因此微波传播距离收到限制，一般只有50公里左右。

                但若采用100m高的天线塔，则传播距离可增大到100公里。

                为实现远距离通信，必须在一条微波通信信道的两个终端之间建立若干个中继站。中继站将前一站送来的信号经过放大后再发送到下一站，故称为接力。

        卫星通信：常用的卫星通信方法是在地球站之间，利用位于约3万6千公里高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。最大特点是通信距离远，相应地，传播时延也比较大，一般在250~300ms之间。

        低轨道卫星通信：除同步卫星外，低轨道卫星通信系统已开始在空间部署，并构成空间高速链路。

2.2.7 红外线

利用红外线传输数据，例如家用电器配备的红外线遥控器，以前的笔记本电脑基本都带用红外接口进行红外通信。

现在笔记本电脑已取消了红外接口。很多智能手机还保留红外接口，来操作家用电器。

2.2.8 可见光

可见光通信，LiFi，通俗点就是LED灯上WiFi，最新的OLEDCOMM LIFI技术，以每秒开关千万次LED灯来调制光信号，供上网和数据传输等服务。

短时间内LiFi无法取代WiFI，如果两个房间的网络设备要基于LiFi通信，如何做到可见光的同步呢？

目前LiFi还处于实验研究阶段，但应用前景被很多人看好。

2.2.9 无线电频谱管理机构

要使用某一段无线电频谱进行通信，通常必须得到本国政府有关无线电频谱管理机构的许可证。

我国的无线电频谱管理机构是工信部无线电管理局。

ISM频段，可以自由使用，即工业、科学、医疗频段。

2.3 传输方式

• 串行传输
• 并行传输

• 同步传输
• 异步传输

• 单向通信-单工
• 双向交替通信-半双工
• 双向同时通信-全双工

2.3.1 串并行传输

• 并行传输
  • 优点
    • 速度是串行传输的n倍
  • 缺点
    • 成本高

思考：数据在传输线路上的传输，是串行还是并行传输？

串行传输。

计算机内部的数据传输，常采用并行传输方式。例如，CPU与内存之间，通过总线进行数据传输。常见的数据总线宽度由8位、16位、32位和64位。

2.3.2 同异步传输

同步传输

异步传输

2.3.3 单工-半双工-双工通信

2.4 编码与调制

是通信原理的一部分知识。

2.4.1 编码与调制

计算机网络中，计算机需要处理和传输用户的文字、图片、音频和视频，这些统称为消息。

数据是运送消息的实体。人类熟悉的是十进制数据，而计算机只能处理二进制数据，也就是比特0和比特1.

计算机中的网卡将比特0和1变换成相应的电信号发送到网线。即，信号是数据的电磁表现。

由信源发出的原始电信号称为基带信号，分为数字基带信号和模拟基带信号。数字基带信号，例如计算机内部CPU与内存之间传输的信号，模拟基带信号，例如麦克风收到声音后产生的音频信号。

信号需要在信道中进行传输。信道分为数字信道和模拟信道。

在不改变信号性质的前提下，仅对数字基带信号的波形进行变换，称为编码。编码后产生的信号仍为数字信号，可以在数字信道中传输。例如以太网使用曼彻斯特编码，4B/5B，8B/10B等编码。

把数字基带信号的频率范围，搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，称为调制。调制后产生的信号是模拟信号，可以在模拟信道中传输。例如WiFi使用补码键控、直接序列扩频、正交频复用等调制方法。

对于模拟基带信号的处理，也有编码和调制两种方法。对模拟基带信号进行编码的典型应用是对音频信号进行编码的脉码调制PCM，即将模拟音频信号通过采样、量化和编码进行数字化。

对模拟信号进行调制的典型应用是将语音数据加载到模拟的载波信号中传输，例如传统的电话。此外还有频分复用FDM技术，可以充分利用带宽资源。

2.4.2 码元

传输媒体与信道的关系

2.4.3 常用编码

1 不归零编码NRZ

不归零编码的同步问题

2 归零编码RZ

3 曼彻斯特编码

4 差分曼彻斯特编码

练习题

注意第3点，正跳变和负跳变表示的含义没有固定规则，可自行假设。

2.4.4 基本调制方法

采用混合调制方法。

2.4.5 混合调制方法

1 正交振幅调制

2.5 信道的极限容量

信号在传输过程中会受到不同因素的影响。

2.5.1 码间串扰

2.5.2 奈氏准则

1 基本调制方法

2 混合调制方法

2.5.3 香农公式        

练习题

答案

从香农公式可知，信噪比和频率带宽都会影响信道数据传输速率。

奈氏准则，调制速度，即码元传输速度，和码元携带的比特数量都会影响信道数据传输速率。

而信号传播速度，不影响数据传输速率。

答案

注意：无噪声情况下的极限数据传输速率，使用奈氏准则计算数据传输速率。

受噪声干扰有信噪比用香农公式计算数据传输速率。

2.6 习题课

C

C

B

B

说明：如果题目没有特别指明信道是带通信道（即给出信道频率的上下限），则信道属于低通信道。

 C

D

D

A

10BaseT网卡，使用的是曼彻斯特编码。

A

NRZI 反向不归零编码。

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