计算机网络 – 物理层笔记

概念

数据与信号

• 数据：传送信息的实体。
• 信号：数据的电气或者电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

模拟与数字

• 模拟数据（模拟信号）：连续变化的数据（信号）。
• 数字数据（数字信号）：取值是有限离散数值的数据（信号）。

调制与编码

• 调制：把数据变换为模拟信号的过程称为调制，反之为解调。
• 编码：把数据变换为数字信号的过程称为编码，反之为解码。

码元

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位 k 进制数字，是数字通信中的计量单位。

传输速率

码元传输速率：单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位为波特（Baud）。1 波特表示数字通信系统每秒传输 1 个码元。

信息传输速率：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数），单位是比特/秒（b/s）。

所以若一个码元携带 n 比特的信息，则 M 波特率的码元传输速率所对应的信息传输数率为 Mn 比特/s。

信道的极限容量问题

1）奈奎斯特定理

奈奎斯特（Nyquist）定理，又称奈氏准则。它指出在 理想低通（没有噪声、带宽有限）的信道中的 极限码元传输率 为 2W 波特。而 1 码元包含多个比特位，所以对应可以求得极限数据率为：（单位 b/s）

其中，W 为理想低通信道的带宽，单位为 Hz；V 为每个码元离散电平的数目，即每码元包含的比特数，

【例】 对于某带宽为 4000Hz 的低通信道，采用 16 种不同的物理状态来表示数据。按照奈奎斯特定理，信道的最大传输速率是（ ）

【解析】 根据奈奎斯特定理，这条通道的极限码元传输率为 ，而根据 16 种不同的物理状态可得出每码元携带比特数为 ，故最大传输速率为

2）香农定理

香农（Shannon）定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输率（单位 b/s）。

其中，W 为信道的带宽；S 为信道所传输信号的平均功率；N 为信道内部的高斯噪声功率。S/N 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比。

【注】 信噪比有两种形式，使用 计算（数值形式）和使用 计算（分贝形式）

1. 数值形式，即一般数值。如噪声功率为 1，信号功率为 100，则信噪比为 100/1 = 100。
2. 分贝形式，同样是上面的数字，以分贝形式表示为 dB。

采用分贝形式是因为很多时候信号比噪声强得多，比如强 10 亿倍，如果用数值形式则数字相当大，这时使用分贝形式会简洁得多。分贝形式对于表示特别大或特别小的数值极为有利。

【例1】 一个传输数字信号的模拟信道的信号功率是 0.62W，噪音功率是 0.02W，频率范围为 3.5-3.9MHz，该信道的最高数据传输速率是（ ）

【分析】 在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为 Hz。所以由频率范围可得信道为 ，由香农公式直接得最高数据传输速率为 。

【例2】 如果连接两个链路的频率带宽为 8kHz，信噪比为 30dB，该链路实际数据传输速率约为理论最大数据传输率的 50%，那么该链路的实际数据传输率为（ ）

【分析】 有频率和信噪比，即联想香农定理。信噪比为 30dB 是一个分贝形式，可求得 S/N： => ，那么由香农公式，理论最大数据传输率为 。所以实际数据传输率为 80 / 2 = 40kb/s。

数据与信号

数据和信号都分为模拟与数字，所以有四种编码方式：数字数据编码为数字信号、数字数据调制为模拟信号、模拟数据编码为数字信号、模拟数据调制为模拟信号。

脉码调制

脉码调制（Pulse Code Modulation, PCM）将模拟数据编码为数字信号，最常用与对音频信号进行编码。它主要包含三个步骤：采样、量化 和 编码。

1）采样：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

这里涉及到 采样定理，也就是上面介绍的 奈奎斯特定理：采样频率必须大于等于原始信号中的最大频率的两倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息。

2）量化：把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数。这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。

采样和量化的实质就是分割和转换。

3）编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

数据交换技术及特点

数据交换技术主要是 电路交换、报文交换 和 分组交换。

1）电路交换

电路交换需要经历三个过程：

1. 电路建立：先经过呼叫建立一条端到端的电路。
2. 数据传输：建立完电路后，数据可以开始传输。传输过程中电路必须始终保持连接状态。
3. 电路拆除：传输结束后，由某一方发出拆除请求，然后逐节拆除到对方节点。

2）报文交换

报文交换的数据传输单位是报文，报文就是站点一次性要发送的数据块，其长度不限且可变。发送端将目的地址附加到报文上，网络节点根据报文上的目的地址信息，把报文发送到下一个节点，一直逐个节点地转送到目的节点。所以，报文交换 无需先通过呼叫建立连接。

3）分组交换

分组交换是报文交换的一种改进，它将报文分成若干个分组。分组交换是计算机网络中使用最广泛的一种交换技术。

【例】 采用 1200bps 同步传输时，若每帧含 56 位同步信息，48 位控制信位和 4096 位数据位，那么传输 1024 个字节需要（ ）秒

【解析】 1024 个字节包含 1024 * 8 = 8192 位，每帧包含 4096 个数据位，则需要 8192 / 4096 = 2 个帧传输，每帧一共 56 + 48 + 4096 = 4200 位，所以一共需要传输 4200 * 2 = 8400 位，所以所需时间为 8400 / 1200 = 7 秒。

物理层设备

物理层包含物理连网媒介，如电缆连线连接器、集线器、中继器 和 放大器。

【例】 为了使模拟信号传播地更远，可以采用的设备是（ ）

A) 中继器 B) 放大器 C) 交换机 D) 路由器

【解析】 要使模拟信号传播地更远，就需要对其进行放大。放大信号是物理层设备应该执行的功能，所以交换机（数据链路层）和路由器（网络层）被排除。而中继器和放大器都能放大信号，但需要注意：中继器放大数字信号，放大器放大模拟信号。

对于信号的放大，模拟信号采用放大器来增强信号中的能量，但同时也会 使噪音分量增强，以致引起信号失真。而数字信号使用的中继器接收衰减的数字信号，并恢复成 0、1 的标准电平，所以相较而言，数字传输比模拟传输能获得更高的信号质量。

传输介质

传输介质（传输媒体或传输媒介）指数据传输系统中发送器和接收器之间的物理通路。可以分为两类：导向传输介质和非导向传输介质。

导向传输介质：双绞线（TP）、同轴电缆、光纤。 非导向传输介质：短波通信、微波通信、卫星通讯。

【注】 双绞线由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成，线扭在一起的目的是 减少电磁辐射干扰。