第二章 物理层
物理层的任务：
- 将原始的比特流从一台机器上传输到另一台机器上。
- 确定与传输媒体的接口特性：机械、电气、功能、规程
通信基础
一些基本概念
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数据，信号和码元
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数据是传送信息的实体；
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信号是数据的电气或电磁表现；
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码元是数字通信中数字信号的计量单位，1码元可以携带若干比特的信息量。
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信源、信道和信宿
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信源是产生和发送数据的源头
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信宿是接收数据的终点
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信道：向某一个方向传输信息的媒体。信道是信息的传输介质。
信道分为模拟信道和数字信道、无线信道和有限信道。
信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号将数字信号1和0用两种不同电压表示，然后送到数字信道上传输；宽带信号将基带信号进行调制，然后送到模拟信道上传输。
数据传输方式分为串行传输和并行传输。串行传输适合长距离通信（如计算机网络），并行传输适合近距离通信（如cpu和主存）
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信道上的三类损耗：衰减、延迟、噪声。
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通信双方的信息交互方式：
- 单向通信：只有一个通信方向，没有反方向的交互。如广播。
- 半双工通信：通信双方都可以发送或接收信息
- 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息。
单向通信只需要一个信道，半双工或全双工则需要两个。
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速率、波特和带宽
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速率：数据传输速率
码元传输速率：又称波特率，表示单位时间内传输的码元数，单位是波特。码元速率与进制数无关。
信息传输速率：又称比特率，表示单位时间内传输的二进制码元数（即比特数），单位是bit/s。
若一个码元携带\(n\)比特的信息量，则波特率\(MBaud = nM b/s\)；该码元所需的不同离散值为\(2^n\)个。
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带宽：信号所占据的频带宽度；（计网中）表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率。单位是b/s。
频率范围为$3.5 \(~\) 3.9MHz\(，则带宽 =\) 0.4MHz$
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答案为D,B。不要和奈氏准则弄混了。
奈奎斯特定理
奈氏准则规定：在理想低通信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为\(2W\)波特，其中\(W\)是信道的频率带宽（单位为Hz）。
只有在奈氏准则和香农定理中频率带宽才用Hz。
注意是频率带宽，不是采样率，也不是波特率。
- 结论：在任何信道中，码元传输的速率有上限；
- 信道的频带越宽，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
- 数据传输率随编码级数增加而增加。
- 奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。
- 如果要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量。
香农定理
香农定理给出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用该速率传输数据时，不会产生误差。
结论：
- 信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高
- 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限是确定的。
- 只要信息传输速率低于信道的极限传输速率，就能找到某种方法实现无差错的传输
- 香农定理得出的是极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要低很多。
编码与调制
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曼切斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，跳变既作为时钟信号（用于同步），也作为数据信号。
可以用向下跳变表示1、向上表示0，或相反。
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差分曼切斯特编码：每个码元的中间都发生跳变。但是跳变只作为时钟信号，不表示数据。
每个码元开始处有电平跳变则为0，没有则为1。
有更强的抗干扰能力。
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二者占用的频带宽度都是原始基带宽度的2倍。
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标准以太网使用的就是曼切斯特编码。
采样定理
在模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中最大频率为\(f\)，那么必须有采样率\(f_{采样}≥2f\)，才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息。
传输介质
传输介质也称传输媒体，是数据传输系统中发送器和接收器之间的数据通路。
- 双绞线
- 同轴电缆
- 光纤
- 无线传输介质：无线电波、微波炉、激光等
物理层设备
中继器
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主要功能：整形、放大并转发信号
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原理是信号再生，放大数字信号
放大器放大模拟信号
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中继器有两个端口，两端的网络部分是网段，而非子网
使用中继器连接的几个网段依然是一个局域网
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中继器工作在物理层，所以不能连接两个具有不同速率的局域网
若某个网络设备有存储转发功能，则认为它能连接两个不同的协议，否则不能。
- “5-4-3”规则：互相串联的中继器个数不能超过4个；4个中继器串联的5段通信介质中，只有3段可以挂接计算机。
集线器
- 集线器实质上是一个多端口的中继器
- 一个端口接收到数据信号后，对它进行再生，然后转发到其他所有端口
- 如果同时有多个端口输入，就会发生冲突，数据全部无效
- 信息传输的方向是固定的，是共享式设备
- 只能在半双工状态下工作。
- 一个带宽为10Mb/s的集线器上连接了8台计算机，它们同时工作时，每台计算机真正拥有的带宽是1.25Mb/s。
