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物理层主要任务:确定与传输媒体有关的一些特性
经典数据通信模型
相关术语
数据:传送信息的实体,通常是有意义的符号序列
信号:数据的电气/电磁的表现,是数据再传输过程中的存在形式(数字信号:信息参数取值是离散的;模拟信号:信息参数取值是连续的)
信源
信宿
信道:信号的传输媒介。一般表示某一个方向传送信息的介质。一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
三种通信方式
单工通信:只有一个方向的通信而没有反方向的交互,仅需要一条信道
半双工通信:通信双方都可以发送或接收信息,但任何一方都不能同时发送和接收,需要俩条信道
全双工通信:通信双方可以同时发送和接收信息,也需要俩条信道
两种数据传输方式
传输方式:
码元、速率、波特、带宽
码元
码元指一个固定时长的信号波形(数字脉冲),代表不同离散数值的基本波形,是数字通信中数字信号的计量单位,这个时长内的信号称为k进制码元,而该时长称为码元宽度。
速率
速率也叫数据率,指数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
1)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(脉冲个数或信号变化次数)
别名:码元速率,波形速率,调制速率,符号速率等
单位:波特(码元/秒)
可以为多进制,也可以是二进制,但码元速率和进制数无关。
2)信息传输速率:单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数(比特数)
别名:信息速率,比特率
单位:比特/秒(b/s)
带宽(b/s)
表示在单位时间内从网络中某一点到另一点所能通过的“最高数据率”,常用来表示网络的通信线路所能传输的数据能力
系统传输的是比特流,通常比较的是信息传输速率,所以传输十六进制码元的通信系统传输速率较快
奈氏准则和香农定理
失真:1.码元传输速率;2.信号传输距离;3.噪声干扰;4.传输媒体质量
码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象
信道带宽:信道能通过的最高频率和最低频率之差
奈氏准则(奈奎斯特定理)
定义:在理性低通条件下,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2W Baud,W为信道带宽,单位是Hz
1.在任何信道中,码元传输速率有上限
2.信道频带越高,就可以用更高速率进行码元有效传输
3.奈氏准则给出了码元传输速率的限制,但没有对信息传输速率给出限制
4.由于码元的传输速率受奈氏准则制约,所以要提高数据的传输速率,就必须设法使每个码元携带更多比特的信息量,即采用多元制的调制方法
香农定理
定义:在带宽受限且有噪声的信道中,为了不产生误差,信息的数据传输速率有上限值
噪声存在于所有电子设备和通信信道中。信号强,那么噪声影响相对较小
信噪比(S/N)=信号的平均功率/噪声的平均功率
信噪比(dB)=10log10(S/N) 数值等价
推论:
1.信道带宽或信道信噪比越大,信息极限传输速率越高
2.传输带宽和信噪比一定,信息传输速率上限就确定了
3.只要信息传输速率低于极限传输速率,就一定能找到某种方法实现无差错传输
4.香农定理得出的为极限传输速率,实际信道能到达的传输速率要比它低不少
编码与调制
信道上传送的信号:
1.基带信号(近距离):来自信源,将数字信号1和0用俩种不同电压表示,再送到数字信道上传输(基带传输)。直接表达要传输的信息的信号
2.宽带信号(远距离):将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号,再传送到模拟信道上传输(宽带传输)。 把基带信号的频率范围经过载波调制,搬移到较高的频段以便传输。
编码:数据转成数字信号
调制:数据转成模拟信号
四种方法:调幅。调频。调相。正交调幅调制。
物理层传输介质:数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路
传输介质也称传输媒体,传输媒介。在传输媒体中传输的是信号,但传输媒体不知道所传输的信号代表什么意思。
分为导向性(电磁波被导向沿着固体媒介传播)和非导向型(自由空间,即空气,真空,海水)
导向性传输介质
双绞线
组成:双绞线由俩根采用一定规则并排搅合的、相互绝缘的铜导线组成。
特点:价格便宜,传输距离在几公里到几十公里
搅合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
分类:屏蔽双绞线(STP):为了进一步提高抗电磁干扰能力,可在双绞线外再加上一个金属丝编成的屏蔽层
如果距离太远,模拟传输:用放大器放大衰减的信号;对于数字传输:用中继器将失真的信号整形
同轴电缆
组成:由导体铜质芯线、绝缘层、网状编制屏蔽层和塑料外壳构成。
分类:按特性阻抗数值不同,分为50欧同轴电缆和75欧同轴电缆。
50欧同轴电缆:主要用于传送基带数字信号,又称为基带同轴电缆,在局域网中得到广泛应用
75欧同轴电缆:主要用于传送宽带信号,又称宽带同轴电缆,主用于有线电视系统
特点:抗干扰性较双绞线好,广泛用于传输较高速率的数据,传输距离远,价格更贵
光纤
光纤通信就是利用光导纤维传递光脉冲进行通信。
组成:主要有纤芯(实心)和包层构成
特点:带宽远大于其他传输媒体,通信量大;传输损耗小,中继距离长,远距离传输经济;抗雷电和电磁干扰性好;无串音干扰,保密性好,不易窃听或截取数据;体积小,重量轻;
若入射角足够大,就会出现全反射,因此损耗小
分类:多模光纤,单模光纤。
非导向性传输介质
物理层设备
中继器
功能(再生数字信号):对信号进行再生和还原,对衰减的信号进行放大,保持与元数据相同,以增加信号传输的距离,延长网络长度
中继器两端:俩端的网络部分是网段,是用于完全相同的两类网络互连,且速率相同。仅作为电气部分,不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。两端可连相同媒体,也可不同。中继器两端一定要是同一个协议(不会存储转发)
5-4-3规则:5网段,4物理层设备,3工作站(计算机)。网络标准对信号的延迟范围作了具体规定。中继器只能在规定范围进行,否则会网络故障。
集线器(多口中继器)
功能:(再生,放大信号)对信号进行再生放大转发。不具备信号的定向传送能力,是一个共享式设备。
因为集线器不能分割冲突域,连在集线器上的工作主机平分带宽
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