第2章物理层

2.1 通信基础

2.1.1 概念


数据	信息的实体
信号	信息传输过程中的存在形式
码元	代表不同离散数值的固定时长的信号波形/脉冲信号，该固定时长即码元宽度	数字信号的计量单位

有效离散值 V/离散电平	在数字传输中可以取的状态数。其他说法：1.每个信号分为V级；2. 用V种物理状态来表示数据；3. 信号有V种变化状态	若1码元上有k比特数，则有效离散值2^k个
比特	信息的最小单位，表示二进制中的一位，即1或0	*比特率=波特率log₂V**
m进制码元	一个m进制的码元可以取m种不同的状态，每种状态可以用log₂m个比特来表示	eg:二进制码元，一位（0或1）来表示一种状态

关键词：m进制信号
受奈氏公式和香农公式共同限制！——取小者

数据传输速率的两种描述形式		含义	单位
1.码元传输速率/波特率/调制速率/符号速率		单位时间传输的码元数	波特（Baud）
2.信息传输速率/比特率/数据率		单位时间传输的比特数，也叫“二进制码元数”。等于每秒传输的周期数	b/s

带宽W		单位
模拟信号中	信道传输信号的频率范围	Hz
计算机网络中	最高数据传输速率	b/s	不是频率最大值，而是频率最大值-频率最小值

2.1.2 信道的极限容量

	条件	极限传输速率	单位		比较	意义
奈奎斯特定理（采样定理）	理想低通信道——没有噪声、带宽有限	2Wlog₂V	b/s	此处带宽W的单位 : Hz	给出极限码元传输速率是2W,并未限制信息传输速率，即一个码元带多少比特率	1. 为增大速率——>增加码元携带的比特数 ; 2. 码元传输速率不能任意提高，回导致码间串扰：信号波形失去码元之间的界限
香农定理	带宽受限且有高斯噪声的信道	Wlog₂(1+S/N)	b/s	此处带宽W的单位 : Hz	给出信息传输速率的极限( 受带宽和信噪比限制 )	为增大速率——>1. 提高带宽；2. 提高信噪比

			eg1	eg2
S/N	信号平均功率与噪声平均功率之比		10	1000
信噪比	10log₁₀(S/N),单位是分贝dB		10	30

2.1.3 编码与调制

编码	数据->数字信号			eg
数字数据->数字信号
	归零编码RZ	高1低0（或高0低1）; 每个码元：高+零或低+零	归零需要占用一部分宽带
	非归零编码NRZ	每个码元：高或低	1.优势：一个时钟全用来传数据，编码效率最高；2. 劣势：存在同步问题，双方都有时钟线
	反向非归零编码NRZI	码元前沿变0不变1	既能传输时钟信号，也不损失带宽。	USB2.0
	曼切斯特编码	码元中间下跳1上跳0（或相反），每个码元中间都会跳变	1.优势：电平跳变既作为时钟（自同步），也作为数据。2. 劣势：1比特需要两个信号周期，即两个码元，编码效率50%（不高）	标准以太网
	差分曼切斯特编码	码元前沿变0不变1，每个码元中间都会跳变	更强的抗干扰能力	宽带高速网
模拟数据->数字信号
	步骤1：采样	连续信号->离散信号	采样的频率必须>=原始数据最大频率
	步骤2：量化	电平幅值->数值（取整）
	步骤3：编码	取整的数值->对应的二进制

调制	数据->模拟信号		单位
数字数据->模拟信号
	调幅AM或幅移键控ASK
	调频FM或频移键控FSK
	调幅PM或相移键控PSK
	正交幅度调制QAM	数据传输速率=波特率 x log₂（振幅x相位）	b/s
模拟数据->模拟信号
	频分复用FDM	信号的每路传输速率通常应当保持一致，如果不同路的信号速率不一致，就会导致数据传输失序和错误。为了实现速率的统一，通常会采用脉冲填充的方法

编码速率：实际传输的数据量
码元速率:每秒传送的码元数量
曼切斯特编码和差分曼切斯特编码的编码速率是码元速率的2倍，码元中间都发生了跳变，相当于把码元一分为二

脉冲填充：这意味着在某些信号的时间槽内，除了实际的信号数据外，还会填充一些额外的脉冲，即使这些额外脉冲并不代表任何有效信息。这种做法能够确保所有的信号以相同的速率传输，从而保持系统的同步性。

2.2 传输介质

传输介质		disadvantage	advantage	distance	sort	eg
双绞线	并排绞合、相互绝缘的铜导线	远距离：1.（模拟信号）放大器放大衰减的信号；2. （数字信号）中继器整形失真的信号	价格便宜	几千米-数十千米	加金属丝屏蔽层的屏蔽双绞线STP；无屏蔽层的非屏蔽双绞线UTP	传统电话网、局域网
同轴电缆	塑料外层->外导体屏蔽层->绝缘层->内导体		外导体屏蔽层->良好抗干扰（适合高速率数据）		75Ω同轴电缆，宽带信号	有线电视
					50Ω同轴电缆	早期局域网
光纤	光导纤维（纤芯+包层）传递光脉冲	光脉冲展宽即失真	1.损耗小，远距离很经济；2.抗雷电和电磁干扰性能好；3.保密性好；4.体积小，轻便	适合近距离传输	多模光纤：不同角度多光线在一光纤中。光源：发光二极管
			同上	数千米-数十千米	单模光纤：光纤直径极小，只有一光线一直向前传播。光源：定向性好的半导体激光器
无线电波	信号向所有方向散播——简化通信连接！		较强穿透力	传输距离远		无线手机通信、无线局域网WLAN
高带宽无线通信	（均）需要在发收双方有视线通路，直线传播	卫星通信(劣势：保密性差，端到端传播时延长)	很强方向性，频率较高、频段宽	地面传播距离有限，需中继站	微波
	转换成红外信号再传播		很强方向性		红外线
	转换成激光信号再传播		很强方向性		激光

2.2.2 物理层主要任务：确定与传输介质的接口的相关特性

机械特性
电气特性：电压范围、传输速率、距离限制等
功能特性：电压意义等
过程特性：不同功能事件的出现顺序

2.3 物理层设备

	basis	attention	point
中继器	整形、放大并转发数字信号。原理：信号再生	1.连接的是两网段而不是子网；2.没有存储转发功能，两端必须使用同一个协议	廉价、扩大传输距离；但使用数目有限
放大器	放大模拟信号
集线器Hub	多端口的中继器	1. 只起放大转发作用，不具备信号定向传送能力；2. 通信聚集在中心结点；3.只能在半双工状态下工作，吞吐量受限；4.无法处理多台机器同时要通信产生的信息冲突	标准的共享式设备

标签：编码,码元,物理层,传输,传输速率,信号,速率
From： https://blog.csdn.net/m0_62825044/article/details/141827897

2.1 通信基础

2.1.1 概念

2.1.2 信道的极限容量

2.1.3 编码与调制

2.2 传输介质

2.2.2 物理层主要任务：确定与传输介质的接口的相关特性

2.3 物理层设备

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