第 2 章 物理層

2.1 通信基礎

2.1.1 基本概念

1.數據、信號與碼元

通信的目的是傳輸信息。數據是指傳送信息的實體。信號則是數據的電氣或電磁表現，是數據在傳輸過程中的存在形式。碼元是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長內的信號稱為 k 進制碼元，而該時長稱為碼元長度。1 碼元可攜帶若干比特的信息量。

2.信源、信道與信宿

數據通信系統主要劃分為信源、信道和信宿三部分。信源是產生和發送數據的源頭，信宿是接收數據的終點，信道是信號的傳輸介質，一個雙向通信的線路包含一個發送信道和一個接收信道。

信道分類

• 傳輸信號形式: 模擬信道和數字信道
• 傳輸介質: 無線信道和有線信道

從通信雙方信息的交換方式看，可分為: 單向通信、半雙工通信、全雙工通信。

3.速率、波特與帶寬

速率是指數據傳輸速率，表示單位時間內傳輸的數據量。(碼元傳輸速率(波特率)、信息傳輸速率(比特率))

2.1.2 信道的極限容量

1.奈奎斯特定理

奈奎斯特定理規定: 在理想低通（沒有噪聲、帶寬有限）信道中, 為了避免碼間串擾, 極限碼元傳輸速率為 2W 波特, 其中 W 是信道的頻道寬度(單位為Hz)。若用 V 表示每次碼元的離散電平數目 (碼元的離散電平數目是指有多少種不同的碼元, 若有 16 中不同的碼元, 則需要 4 個二進制位, 因此數據傳輸速率是碼元傳輸速率的 4 倍), 則極限數據率為:

• 理想低通信道下的極限數據傳輸速率 = 2 W log2 V (單位為 b/s)

對于奈氏準則，有以下結論:

• 在任何信道中，碼元傳輸速率是有上限的。若傳輸速率超過上限，則會出現嚴重的碼間串擾問題，使得接收端不可能完全正確地識別碼元。
• 信道的頻帶越寬(即通過的信號高頻分量越多)，就越可用更高的速率有效地傳輸碼元。
• 奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并未限制信息傳輸速率，即未對一個碼元可以對應多少個二進制位給出限制。

2.香農定理

香農定理定義:

• 信道的極限數據傳輸速率 = W log2(1 + S/N) (單位是 b/s)

式中, W 為信道的頻率帶寬（單位為 Hz）, S 為信道內所傳輸信號的平均功率, N 為信道內的高斯白噪聲功率。S/N 為信噪比, 即信號的平均功率與噪聲的平均功率之比, 信噪比 = 10 log10(S/N) (單位為 dB)。

對于香農定理，有以下結論:

• 信道的帶寬或信道中的信噪比越大，信息的極限傳輸速率越高。
• 對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限是確定的。
• 只要信息傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就能找到某種方法實現無差錯的傳輸。
• 香農定理得出的是極限信息傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少。

2.1.3 編碼與調制

調制: 將數據轉化為模擬信號的過程
編碼: 將數據轉化為數字信號的過程

1. 數字數據編碼為數字信號
   

2. 模擬數據編碼為數字信號
   主要包括三個步驟: 采樣、量化、編碼
   奈奎斯特采樣定理: 假設原始信號中的最大頻率為 f, 那么采樣率 fmax 必須大于或等于最大頻率 f 的兩倍。

3. 數字數據調制為模擬信號
   數字調制的三種方式: 調幅、調頻、調相
   

4. 模擬數據調制為模擬信號
   為了實現傳輸的有效性，可能需要較高的頻率。這種調制方式還可使用頻分復用(FDM)技術，充分利用帶寬資源。電話機和本地局交換機采用模擬信號傳輸模擬數據的編碼方式。

2.2 傳輸介質

2.2.1 雙絞線、同軸電纜、光纖與無線傳輸介質

傳輸介質也稱傳輸媒體，是數據傳輸系統中發送器和接收器之間的物理通路。傳輸介質可分為:①導向傳輸介質，指銅線或光纖等，電磁波被導向為沿著固體介質傳播:②非導向傳輸介質,指自由空間(空氣、真空或海水)，電磁波在非導向傳輸介質中的傳輸稱為無線傳輸。

1. 雙絞線(最常用的傳輸介質, 價格便宜)
   

2. 同軸電纜(一般分為 50Ω 同軸電纜和 75Ω 同軸電纜)
   

3. 光纖
   
   

光纖不僅具有通信容量非常大的優點，而且具有如下特點:

• 傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經濟。
• 抗雷電和電磁干擾性能好，在有大電流脈沖干擾的環境下這尤為重要。
• 無串音干擾，保密性好，不易被竊聽或截取數據。
• 體積小，重量輕，在現有電纜管道已擁塞不堪的情況下這特別有利。

4. 無線傳輸介質
   (1) 無線電波 (穿透力強、傳輸距離遠)
   (2) 微波、紅外線、激光 (高帶寬的無線通信主要使用技術)

2.2.2 物理層接口的特性

• 機械特性。指明接口所用接線器的形狀和尺寸、引腳數目和排列、固定和鎖定裝置等。
• 電氣特性。指明在接口電纜的各條線上的電壓范圍、傳輸速率和距離限制等。
• 功能特性。指明某條線上出現的某一電平的電壓的意義，以及每條線的功能。
• 過程特性，也稱規程特性。指明對不同功能的各種可能事件的出現順序

2.3 物理層設備

2.3.1 中繼器 (兩個端口(輸入與輸出),主要功能: 整形、放大并轉發信號)

中繼器是用來擴大網絡規模的最簡單的廉價互連設備。中繼器兩端的網絡部分是網段,而不是子網，使用中繼器連接的幾個網段仍是一個局域網。中繼器若出現故障，則對相鄰兩個網段的工作都產生影響。因為中繼器工作在物理層，所以不能連接兩個具有不同速率的局域網。
注意:

若某個網絡設備有存儲轉發功能，則認為它能連接兩個不同的協議;
若該網絡設備無存儲轉發功能，則認為它不能連接兩個不同的協議。
中繼器沒有存儲轉發功能，因此它不能連接兩個速率不同的網段，
中繼器兩端的網段一定要使用同一個協議。放大器和中繼器都起放大作用，只不過放大器放大的是模擬信號，其原理是放大衰減的信號，
而中繼器放大的是數字信號，其原理是整形再生衰減的信號。

2.3.2 集線器 (實質是一個多端口的中繼器)

在網絡中只起信號放大和轉發作用，目的是擴大網絡的傳輸范圍，而不具備信號的定向傳送能力，即信息傳輸的方向是固定的，是標準的共享式設備。
注意:

集線器不能分割沖突域，集線器的所有端口都屬于同一個沖突域。
集線器在一個時鐘周期內只能傳輸一組信息，當一臺集線器連接的機器數目較多且多臺機器經常需要同時通信時，將導致信息沖突，使得集線器的工作效率很差。
例如，一個帶寬為10Mb/s的集線器上連接了 8臺計算機，當這8臺計算機同時工作時，每臺計算機所真正擁有的帶寬為10/8Mb/s=1.25Mb/s。

第二章
第一節試題
1.

第一節答案

1. D
   

2. A
   

3. B
   

4. D
   

5. B
   

6. A
   

第二節試題
1.

第二節答案

1. B
   

2. C
   

3. C
   

4. B
   

第三節試題
1.
2.
3.
4.

第三節答案

1. A
   

2. C
   

3. D
   

4. A