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计算机网络(三)物理层

时间:2023-05-25 15:45:10浏览次数:43  
标签:编码 码元 物理层 比特 计算机网络 传输 信道 信号

计算机网络(三)物理层


1 物理层的基本概念

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  • 物理层就是要解决在连接计算机的传输媒体上传输数据比特流(比特0和比特1)的问题
  • 向上一层数据链路层屏蔽各种传输媒体的差异,提供透明的比特流传输服务。
物理层协议的主要任务
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2 物理层下的传输媒体

传输媒体分为两类

  • 导引型传输媒体:电磁波被导引沿着固体媒体传播

    • 双轴线

    • 同轴电缆:各层都是一个同轴的同心圆,这也是名字的由来

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    • 光纤

    • 电力线

  • 非导引型传输媒体:自由空间

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    • 微波通信(2-40HZ)
    • 无线电波
    • 红外线
    • 可见光

3 传输方式

  • 串行传输:数据一个比特一个比特一次发送的,发送端和接收端之间只需要一条传输线路

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  • 并行传输:一次性发送多个比特,发送端和接收端之间只需要多条传输线路

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    • 并行传输的优点是速度比串行传输要快,缺点是成本很高
    • 计算机网络中,数据在传输线路的传输采用的是串行传输,计算机内部的数据传输采用的是并行传输(通过总线控制)
  • 同步传输:发送端以稳定的比特流的形式进行传输,字节之间没有间隔。

    • 接收方需要在每个比特信号的中间时刻进行检测以判别是0还是1
    • 由于不同设备的时钟频率存在一定差异,会造成时钟误差的积累导致比特信号判别错位,因此需要采取方法使收发双发的时钟保持一致,方法有:
      • 外同步:在收发双发之间添加一条单独的时钟信号线,接收方按照时钟信号的节奏同步数据
      • 内同步:发送端将时钟同步编码到发送的数据中心一起传输(如传统以太网的曼彻斯特编码

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  • 异步传输:发送端以字节为传输单位,字节之间的发送间隔不是固定的,接收端只在字节的起始处对接收的字节进行同步,因此需要在每个字节添加起始和结束位

    • 这里的异步是字节之间异步,也就是字节之间的间隔不固定
    • 但字节之间的每个比特仍要同步,即每个字节的持续时间是相同的

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  • 单向通信(单工):通信的双发只有一个传输方向,如无线电广播

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  • 双向交替通信(半双工):通信双方有两个传输方向,但是不能同时通信,如对讲机

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  • 双向同时通信(全双工):通信双方可以同时发送和接收数据,如电话

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4 编码与调制

4.1 基带信号的编码与调制
  • 计算机将要处理的文字、图片、音频以及视频统称为消息,把运送消息的实体称作数据,且计算机只能处理二进制的数据
  • 计算机的网卡会将二进制数据变换成相应的电信号发送到网线,信号即使数据的电磁表现
  • 由信源发出的原始信号称作基带信号基带信号又可以分为两类:
    • 数字基带信号:如计算机内部CPU和内存传输的信号
    • 模拟基带信号:如麦克风收到声音产生的音频信号
  • 信号需要在信道中进行传输,信道又分为数字信道模拟信道两种
  • 对于数字基带信号的处理有两种方法:
    • 编码:在不改变信号性质的前提下,仅对数字信号的波形进行变换。编码后产生的信号仍为数字信号,可以在数字信道中传输。如以太网的曼彻斯特编码
    • 调制:把数字信号的范围搬移到较高的频段,并转换为模拟信号。调制后产生的信号是模拟信号,可以在模拟信道中传输。如WIFI的(CCK、DSSS、OFDM)
  • 对于模拟基带信号的处理也有两种方法:
    • 编码:...
    • 调制:...

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  • 码元:在使用时间域的波形表示数字信号的时候,代表不同离散数值的基本波形

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  • 传输媒体并不等于信道,如使用半双工和全双工进行通信,则一条传输媒体包含两个信道,如果使用信道复用技术则可包含更多信道

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4.2 几种常见的编码
  • 不归零电平:即传输过程中不会出现零电平的情况

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    不归零电平存在同步问题:这时候为了判断码元的起始位置,需要额外一根传输线来传输时钟信号,即之前说到的外同步传输

  • 归零电平:每个码元传输结束后信号需要归零,接收方只需要在电平归零后采样即可,不需要单独的时钟信号

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    • 相当于将时钟信号以编码的方式放在了数据之内,称作自同步的方式
    • 缺点是很大一部分带宽都被归零电平浪费掉了,导致编码的效率较低
  • 曼彻斯特编码:每个码元之间都会发生跳变,正跳变表示比特0,副跳变表示比特1。码元中间时刻的跳变即能够表示时钟,又能够表示数据,是传统以太网采用的编码方式。

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  • 查分曼特斯特编码:电平跳变表示时钟;依照每个码元开始处电平是否变化表示数据。

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    查分曼彻斯特编码的变化更小,更适合较高的传输速率

4.3 编码练习题
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10BaseT表示10Mb/s,采用曼彻斯特编码,因此正跳变表示0负跳变表示1

选A

4.4 基本调制方法
  • 调幅:无载波输出表示0,有表示1
  • 调频:频率f1表示0,f2表示1
  • 调相:相位0表示0,180表示1
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4.5 混合调制方法
  • 由于频率和相位是相关的,每次只能调制其中的一个,因此通常情况下都将相位和振幅结合起来进行调制,成为正交振幅调制QAM,以使得每个码元能够包含更多的比特
  • QAM-16可以调制出16种码元,因此能够包含4个比特位(2^4)
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5 信道的极限容量

5.1 奈氏准则
5.2 香农公式

标签:编码,码元,物理层,比特,计算机网络,传输,信道,信号
From: https://www.cnblogs.com/tod4/p/17431475.html

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