【计算机网络】王道考研笔记整理（2）物理层

第二章 · 物理层

2.1 通信基础的基本概念

本节主要介绍通信中常用的一些基本概念，包括：信源、信宿、信号、信道，以及码元、速率、波特。

首先，我们来看什么是信源、信宿、信号、信道，这些概念通过一张图就可以理解。其中，信号一般有两种类型，分别是连续性信号和离散型信号（这个对于学过模电数电的同学比较容易理解，同时，连续性信号又称模拟信号，离散型信号又称数字信号）。

每一个信号都对应若干比特的二进制码，因此，我们可以将一个信号称为一个码元（可以理解为表示二进制编码的元素）。有时，我们称一个信号周期的长度为码元宽度。

在一个信号周期中，如果可能出现 4 种信号，那么每种信号对应一个 4 进制数（2 bit）。这时，因为一个码元可能有 4 种状态，所以可以称其为 4 进制码元（一个码元携带 2 bit 数据）。类似，如果一个码元可能有 8 种状态，那么可以称其为 8 进制码元（一个码元携带 3 bit 数据）。不难总结出：一个码元有 N 种状态，那么它携带了 log2_N bit 的数据。

使用高进制码元的优点在于每个“信号周期”内，也就是每个码元可以传输更多信息。但同时，需要加强信号功率，并且对信道的要求会更高。

在上一章讨论速率这个概念时，我们一直采用的单位是 bps，但我们也可使用码元/秒（波特）作为单位来表示传递数据的速率，这就是波特率。在波特率和比特率进行转化时，我们需要关注的就是一个码元可以携带几个比特。

2.2 信道的极限容量

本节我们主要介绍什么是香农定理和奈奎斯特定理。

1. 噪声

在介绍以上两个定理之前，我们先要了解噪声的概念。信号是数据的载体，在信道上传输。但如果此时周围存在磁场之类的物质，那么它就有可能对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率。这就是噪声。

2. 奈奎斯特定理

奈奎斯特定理说的是对于一个理想低通信道（无噪声）、带宽有限的信道，极限波特率是 2W （单位：波特，即码元/秒）。

这里 W 是信道的频率带宽，单位是 Hz。

3. 香农定理

对于一个有噪声、宽带有限的信道，极限比特率是 $Wlog_2{(1+\frac{S}{N})}$ （单位：bit/s）。

这里 W 是信道的频率带宽，单位是 Hz。S/N 是信噪比，也就是信号的功率/噪声的功率，单位为无。

有些时候因为信噪比很大，为了方便记录会采用以分贝（dB）为单位的信噪比。一般无单位的信噪比和有单位的信噪比转换公式为：有单位信噪比 = 10 log_10 无单位信噪比。但是要注意，在香农定理的公式中计算时，只能使用无单位的信噪比，因此计算前一定要将有单位的信噪比转换成无单位信噪比。

4. 对比分析

对比奈奎斯特定理和香农定理，我们可以发现，奈奎斯特定理说明：

如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元。
带宽越大，信道传输码元的能力越强。

但它并没有对一个码元最大可以携带多少比特做出解释。而香农定理结合奈奎斯特定理就可以说明，在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的。

另外，香农定理说明，提升信道带宽、加强信号功率，降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率。

2.3 编码和调制

本节我们首先要学习什么是编码，解码，调制，解调。这里我们利用下图就可以很清晰的理解这几个概念。

接着我们要学习一些常用的编码方法，可以先通过下图有一个简单的认识：

不归零编码：低 0 高 1，中间不变。
归零编码：低 0 高 1，中间归零。
反向归零编码：跳 0 不跳 1，中间不变。
曼彻斯特编码：中间必变，上跳为 0，下跳为 1。（有的也可能是上跳为 1，下跳为 0）
差分曼彻斯特编码：中间必变，每个时间周期间跳 0 不跳 1。

另外我们也需要分析这些不同编码方式的优缺点。

【解释】自同步能力指的是在数字通信系统中，接收端能够从接收到的信号中提取出时钟信号，从而实现接收端与发送端在时间上的同步，而不需要额外专门的同步信道来传输同步信号。
【举例】在曼彻斯特编码中，每一位的中间都有一个跳变，这个跳变既可以作为数据信号，又可以作为时钟信号。接收端通过检测这些跳变，就能恢复出时钟信号，实现与发送端的同步。这样即使在数据传输过程中，接收端也能依据信号本身的特征，自行建立起与发送端一致的时间基准，进而准确地对数据进行采样和判决，正确解读发送端发送的数据内容。

然后，我们来学习一些常用的调制方法：

调幅 AM：通过不同振幅来表示不同的数字信号。又名幅移键控（ASK）。
调频 FM：通过不同频率来表示不同的数字信号。又名频移键控（FSK）。
调相 PM：通过不同相位来表示不同的数字信号。又名相移键控（PSK）。

如果一个信号周期内，变化因素有 K 个不同的值，那么 1 码元 = log_2 K bit。另外，还有一种调制方法叫正交幅度调制（QAM）：将 AM，PM 结合起来，形成叠加信号。若设计 m 种幅值，n 种相位，则将 AM，PM 信号两两复合，可调制出 mn 种信号，即 1 码元 = log_2 mn bit。

2.4 传输介质

本节主要讨论传输介质相关的考点，涉及以下一些概念：

导向型指的是信号朝固定方向传播，而非导向型指的是信号朝四面八方传播。

1. 双绞线

主要由两根导线相互绞合而成，分为有屏蔽层的屏蔽双绞线（STP）和没有屏蔽层的非屏蔽双绞线（UTP）。一般而言，增加导线中的绞合度，屏蔽层可以提高双绞线的抗电磁干扰能力。代表应用近些年的局域网网线。

2. 同轴电缆

主要由内导体（用于传输信号）+ 外导体屏蔽层（用于抗电磁干扰）。抗干扰能力较好，屏蔽层带来了良好的抗干扰性。代表应用有早期的局域网、早期的有线电视。

3. 光纤

主要由纤芯（高折射率）+ 包层（低折射率），利用光的全反射特性，在纤芯内传输光脉冲信号。一般分为单模光纤和多模光纤。单模光纤中只有一根光线在一根光纤中传输，适合长距离传输，而多模光纤中有多条光线在一根光纤中传输，适合近距离传输。光纤的抗干扰能力极好，因为光信号对电磁干扰不敏感。不仅如此，在光纤传输中，信号传输损耗小，长距离传输时中继器少，并且光纤较细，节省空间。

以太网对有线传输介质的命名规则，速度 + Base + 介质信息
10Base5 ———— 10Mbps，同轴电缆，最远传输距离500m。
10Base2 ———— 10Mbps，同轴电缆，最远传输距离200m。
10BaseF*———— 10Mbps，光纤。*可以是其他信息，如 10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP。
10BaseT*———— 10Mbps，双绞线。 *可以是其他信息，如 10BaseT1S、10BaseT1L。

4. 无线传输介质

主要包括无线电波、微波通信还有其它如红外线通信、激光通信等等。无线电波的穿透能力强，传输距离长，信号指向性弱，而微波通信的频率带宽高，信号指向性强，保密性差。

对于电磁波可以有以下特性：