【計算機網絡】王道考研筆記整理（2）物理層

第二章 · 物理層

2.1 通信基礎的基本概念

? ? ? ? 本節主要介紹通信中常用的一些基本概念，包括：信源、信宿、信號、信道，以及碼元、速率、波特。

? ? ? ? 首先，我們來看什么是信源、信宿、信號、信道，這些概念通過一張圖就可以理解。其中，信號一般有兩種類型，分別是連續性信號和離散型信號（這個對于學過模電數電的同學比較容易理解，同時，連續性信號又稱模擬信號，離散型信號又稱數字信號）。

? ? ? ? 每一個信號都對應若干比特的二進制碼，因此，我們可以將一個信號稱為一個碼元（可以理解為表示二進制編碼的元素）。有時，我們稱一個信號周期的長度為碼元寬度。

? ? ? ? 在一個信號周期中，如果可能出現 4 種信號，那么每種信號對應一個 4 進制數（2 bit）。這時，因為一個碼元可能有 4 種狀態，所以可以稱其為 4 進制碼元（一個碼元攜帶 2 bit 數據）。類似，如果一個碼元可能有 8 種狀態，那么可以稱其為 8 進制碼元（一個碼元攜帶 3 bit 數據）。不難總結出：一個碼元有 N 種狀態，那么它攜帶了 log2_N bit 的數據。

? ? ? ? 使用高進制碼元的優點在于每個“信號周期”內，也就是每個碼元可以傳輸更多信息。但同時，需要加強信號功率，并且對信道的要求會更高。

? ? ? ? 在上一章討論速率這個概念時，我們一直采用的單位是 bps，但我們也可使用碼元/秒（波特）作為單位來表示傳遞數據的速率，這就是波特率。在波特率和比特率進行轉化時，我們需要關注的就是一個碼元可以攜帶幾個比特。?

2.2 信道的極限容量

? ? ? ? 本節我們主要介紹什么是香農定理和奈奎斯特定理。

1. 噪聲

? ? ? ? 在介紹以上兩個定理之前，我們先要了解噪聲的概念。信號是數據的載體，在信道上傳輸。但如果此時周圍存在磁場之類的物質，那么它就有可能對信道產生干擾，影響信道的數據傳輸效率。這就是噪聲。

2.?奈奎斯特定理

? ? ? ? 奈奎斯特定理說的是對于一個理想低通信道（無噪聲）、帶寬有限的信道，極限波特率是 2W （單位：波特，即碼元/秒）。

? ? ? ? 這里 W 是信道的頻率帶寬，單位是 Hz。

3. 香農定理

????????對于一個有噪聲、寬帶有限的信道，極限比特率是? $Wlog_2{(1+\frac{S}{N})}$ ?（單位：bit/s）。

? ? ? ? 這里 W 是信道的頻率帶寬，單位是 Hz。S/N 是信噪比，也就是信號的功率/噪聲的功率，單位為無。

????????有些時候因為信噪比很大，為了方便記錄會采用以分貝（dB）為單位的信噪比。一般無單位的信噪比和有單位的信噪比轉換公式為：有單位信噪比 = 10 log_10 無單位信噪比。但是要注意，在香農定理的公式中計算時，只能使用無單位的信噪比，因此計算前一定要將有單位的信噪比轉換成無單位信噪比。

4. 對比分析

????????對比奈奎斯特定理和香農定理，我們可以發現，奈奎斯特定理說明：

如果波特率太高，會導致“碼間串擾”，即接收方無法識別碼元。
帶寬越大，信道傳輸碼元的能力越強。

? ? ? ? 但它并沒有對一個碼元最大可以攜帶多少比特做出解釋。而香農定理結合奈奎斯特定理就可以說明，在帶寬、信噪比確定的信道上，一個碼元可以攜帶的比特數是有上限的。

? ? ? ? 另外，香農定理說明，提升信道帶寬、加強信號功率，降低噪聲功率，都可以提高信道的極限比特率。

????????

2.3 編碼和調制

? ? ? ? 本節我們首先要學習什么是編碼，解碼，調制，解調。這里我們利用下圖就可以很清晰的理解這幾個概念。

? ? ? ? 接著我們要學習一些常用的編碼方法，可以先通過下圖有一個簡單的認識：

不歸零編碼：低 0 高 1，中間不變。
歸零編碼：低 0 高 1，中間歸零。
反向歸零編碼：跳 0 不跳 1，中間不變。
曼徹斯特編碼：中間必變，上跳為 0，下跳為 1。（有的也可能是上跳為 1，下跳為 0）
差分曼徹斯特編碼：中間必變，每個時間周期間跳 0 不跳 1。?

? ? ? ? 另外我們也需要分析這些不同編碼方式的優缺點。

? ? ? ? 【解釋】自同步能力指的是在數字通信系統中，接收端能夠從接收到的信號中提取出時鐘信號，從而實現接收端與發送端在時間上的同步，而不需要額外專門的同步信道來傳輸同步信號。
? ? ? ? 【舉例】在曼徹斯特編碼中，每一位的中間都有一個跳變，這個跳變既可以作為數據信號，又可以作為時鐘信號。接收端通過檢測這些跳變，就能恢復出時鐘信號，實現與發送端的同步。這樣即使在數據傳輸過程中，接收端也能依據信號本身的特征，自行建立起與發送端一致的時間基準，進而準確地對數據進行采樣和判決，正確解讀發送端發送的數據內容。

? ? ? ? 然后，我們來學習一些常用的調制方法：

調幅 AM：通過不同振幅來表示不同的數字信號。又名幅移鍵控（ASK）。
調頻 FM：通過不同頻率來表示不同的數字信號。又名頻移鍵控（FSK）。
調相 PM：通過不同相位來表示不同的數字信號。又名相移鍵控（PSK）。

????????如果一個信號周期內，變化因素有 K?個不同的值，那么 1 碼元 = log_2 K bit。另外，還有一種調制方法叫正交幅度調制（QAM）：將 AM，PM 結合起來，形成疊加信號。若設計 m 種幅值，n 種相位，則將 AM，PM 信號兩兩復合，可調制出 mn 種信號，即 1 碼元 = log_2 mn bit。

2.4? 傳輸介質

? ? ? ? 本節主要討論傳輸介質相關的考點，涉及以下一些概念：

? ? ? ? 導向型指的是信號朝固定方向傳播，而非導向型指的是信號朝四面八方傳播。?

1. 雙絞線

? ? ? ? 主要由兩根導線相互絞合而成，分為有屏蔽層的屏蔽雙絞線（STP）和沒有屏蔽層的非屏蔽雙絞線（UTP）。一般而言，增加導線中的絞合度，屏蔽層可以提高雙絞線的抗電磁干擾能力。代表應用近些年的局域網網線。

?2. 同軸電纜

? ? ? ? 主要由內導體（用于傳輸信號）+ 外導體屏蔽層（用于抗電磁干擾）。抗干擾能力較好，屏蔽層帶來了良好的抗干擾性。代表應用有早期的局域網、早期的有線電視。

3. 光纖

? ? ? ? 主要由纖芯（高折射率）+ 包層（低折射率），利用光的全反射特性，在纖芯內傳輸光脈沖信號。一般分為單模光纖和多模光纖。單模光纖中只有一根光線在一根光纖中傳輸，適合長距離傳輸，而多模光纖中有多條光線在一根光纖中傳輸，適合近距離傳輸。光纖的抗干擾能力極好，因為光信號對電磁干擾不敏感。不僅如此，在光纖傳輸中，信號傳輸損耗小，長距離傳輸時中繼器少，并且光纖較細，節省空間。

? ? ? ? 以太網對有線傳輸介質的命名規則，速度 + Base + 介質信息
10Base5 ———— 10Mbps，同軸電纜，最遠傳輸距離500m。
10Base2 ———— 10Mbps，同軸電纜，最遠傳輸距離200m。
10BaseF*———— 10Mbps，光纖。*可以是其他信息，如 10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP。
10BaseT*———— 10Mbps，雙絞線。?*可以是其他信息，如?10BaseT1S、10BaseT1L。

?4. 無線傳輸介質

? ? ? ? 主要包括無線電波、微波通信還有其它如紅外線通信、激光通信等等。無線電波的穿透能力強，傳輸距離長，信號指向性弱，而微波通信的頻率帶寬高，信號指向性強，保密性差。

? ? ? ? 對于電磁波可以有以下特性：