标签：码元 物理层 带宽 计算机网络 传输 信道 信号 光纤
这一层主要解决怎么连接计算机，也就是传播介质的问题，解决了这个问题，01比特就可以传输了
关于这个问题，我们拆成哪些基本问题呢？
传01比特，我们需要把它转成什么来传？那就是编码问题
那他传数据的性能怎么样我怎么衡量呢？
把他放在哪里传呢？
信道可以复用吗？
下面我们从概述讲起，然后分别解释这四个问题，借此来认识物理层
物理层概述
同层之间的信息传输需要协议，在物理层我们把它称之为规程
协议有三个要素，规程也有，如下对应关系
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规程要素 |
协议要素 |
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电气特性 |
语法 |
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功能特性 |
语义 |
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规程特性 |
同步 |
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机械特性（独有） |
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传什么——从信息到数据再到信号
首先区分三个概念
数据是实体，他的内容是信息，信息是表示确定性的增加（芦男神举得例子就是区分于人一般认识的或者未知的东西，比如下课他不说的话我们一般都知道有作业，如果他忽然说今天没有作业，那我们就得到了确定性的增加的信息）
而信号是数据的载体，比如光电
数据通信系统
通信的种类:
按传输的信号类型分: 模拟通信，数字通信
按传输媒体分： 有线通信，无线通信
按信息交互的方式分： 单工、双工和半双工
下面我们来看其中的数据与信号的转化
数据和信号可以分为两大类——模拟和数字
所以数据到信号的转化就有四种方式
模拟数据——模拟信号
又涉及一些概念：
基带信号：不经过调制的信号。（可以进行编码）。
基带传输：基带信号直接进行传输。
频带信号：基带信号经过调制后的信号。
频带传输：传输频带信号，又叫宽带传输。有一个频谱搬移到较高频率过程。
模拟数据——数字信号
PCM是将模拟数据转换成数字信号的一种方式
前：取样->量化->编码
后：解码->信号还原
在进行模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max>2fmax)，采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般实际应用中保证采样频率为信号最高频率的2.56～4倍；采样定理又称奈奎斯特定理。 [1]
解读：
为什么呢？因为正弦函数确定两个点就可以确定参数A和ω，因此选取频率最高的片段后，其频率更低的波形会取得更多的点，更能确定其函数
数字数据——模拟信号
数字数据——数字信号
编码方式：
不归零码
01分别用两种电平来表示
常常用－5V表示1，＋5V表示0。
缺点：存在直流分量，传输中不能使用变压器
曼彻斯特编码
用电压的变化表示0和1。规定在每个码元的中间发生跳变
高→低的跳变代表0，低→高的跳变代表1
接收端可将此变化提取出来作为同步信号，这种编码也称为自同步码，它不需要依靠时钟变化，不会因为时钟对不上而产生错误
缺点：需要双倍的传输带宽（即信号速率是数据速率的2倍），因为变化太多了
差分曼彻斯特编码
用码元开始处有无跳变来表示0和1 ，有跳变代表0，无跳变代表1
传的怎么样——通信系统性能的基本参数
数据速率（比特率，Bit rate）
单位时间内传输的比特数
单位：bps
码元速率 (波特率，Baud rate)
官方解释：在数字通信中常常用时间间隔相同的符号来表示一个二进制数字，这样的时间间隔内的信号称为(二进制）码元
以二进制为例：一个bit就是二进制的一位，一个二进制码元就是二进制的一位，四进制有两个bit就是指有两个二进制码元
这里用一道题来分析：
某信号源符号集由字母A,B,C,D组成，若传输一个字母用二进制码元编码，“00”代替A，“01”代替B，“10”代替C，“11”代替D，每个二进制码元宽度为5ms。
分析：一个字母有两个二进制位(bit)，由两个二进制码元组成，属于四进制符号，所以一个字母的持续时间为2*5=10ms
一个码元就是一个脉冲信号！波特率指的就是1秒能发送多少个码元，也就是1秒能发送多少个脉冲信号！
一个码元能携带1bit数据，那么比特率 = 波特率！
一个码元能携带2bit数据，那么比特率 = 2倍的波特率！
一个码元能携4bit数据，那么比特率 =4倍的波特率！
如果波特率为： B 电压级数为： V
则数据率: C＝Blog2V
信道容量
一个信道的最大数据率
Nyquist定理（准则）
对于具有低通矩形特性，理想的无噪声信道
最高码元速率=2W(Baud)
W是信道的带宽（Hz）
最高数据率C=2Wlog2L（bps）
香农定理
信道的极限信息传输速率为C，则：
W:带宽 S:信号的平均功率 N:高斯噪声
香农定理表明，信道的带宽越大或者信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率越高
对于具有带通矩形特性，理想的无噪声信道
最高码元速率=W（Baud）
最高数据率C=Wlog2L（bps）
信噪比 S/N
S——信号功率 N——噪声功率
单位:10lgC ,分贝（dB, decibel ）
信噪比 = 10×log10(S/N)
信道带宽
信道能够通过的频率范围，Fmax - Fmin
有三类，但绝大部分是
带宽(计算机网络) VS 带宽(通信系统)：相同物理意义的不同领域表达
有限带宽信号
由于频率限制，信号通过信道产生失真(cont)
失真取决于信道的频率特性：
信号频率一定信道带宽越大失真越小
信道带宽一定信号频率越高失真越大
数学基础：信号的频谱分析--------傅立叶分析
一个具有有限持续时间的数字信号，可以看作为一个以有限持续时间T为周期的周期函数f（t），此函数可展开成傅里叶级数：
f=1／T是基波频率
c是直流分量
分别是n次谐波的正弦和余弦振幅值
根据傅立叶分析，任何电磁信号可以由若干具有不同振幅、频率和相位的周期模拟信号（正弦波）组成，反过来，只要有足够的具有适当振幅、频率和相位的正弦波，就可以构造任何一个信号
在哪传——物理层下面的传输媒体
导向传输媒体
双绞线
非屏蔽双绞线（UTP）
分类
接口
RJ插头：
RJ-11 电话机接口
RJ-45 以太网网卡接口
RJ45排线标准：
T568A的排线顺序为：绿白、绿、橙白、蓝、蓝白、橙、棕白、棕。
T568B的排线顺序为：橙白、橙、绿白、蓝、蓝白、绿、棕白、棕。
两头排线标准不同：
直连线——不同类设备
交叉线——相同类设备
性能
- 价格 低。
- 安装难易程度 易使用，安装简单。
- 容量 在100米内传递数据的速率为1-1000Mbps。 目前，大部分的传输率为10Mbps或者100Mbps。
- 衰减 UTP受到衰减的严重影响。当前的技术下UTP的有效范围在几百米以内。
- 抗电磁干扰性 容易受到外界电磁波辐射的影响
屏蔽双绞线电缆（STP）
性能
- 价格 较UTP昂贵但与同轴粗缆或光缆比便宜。
- 安装难易程度 它必须配有支持屏蔽功能的特殊连接器以及相应的安装技术。
- 容量 理论上100米内可以达到500Mbps以上带宽。
- 衰减 STP受衰减的影响程度与UTP相似，有效范围在几百米之内。
- 抗电磁干扰性 与UTP相比STP的最大优点就是抗干扰能力增加以及EMI辐射的降低，但仍会受到一小部分干扰。
同轴电缆
分类
基带同轴电缆：
50Ω RG-8及RG-11 （用于Ethernet粗缆）
50Ω RG-58 （用于Ethernet细缆）
其中数字数据转换成某种数字脉冲信号 ，结合前面三种方法
接口
BNC 主机连接细缆（10Base2）的接口标准
AUI 主机连接粗缆（10Base5）的接口标准
MAU:连接粗缆的部件，称为收发器
宽带同轴电缆：
有单缆和双缆系统
性能
- 价格 同轴细缆相对便宜些（比STP或5类UTP便宜），粗缆相对贵一些(比STP或3类UTP贵)，它们都比3类UTP贵。
- 容量 同轴电缆的传输速率处于双绞线与光纤之间，通常为10Mbps。带宽随着它内部导线直径的增加变宽。
- 衰减 同轴电缆也存在很高的衰减。比双绞线小的多。有效距离在几千米范围内。
- 抗电磁干扰性 屏蔽效果大大地减轻了电磁波的干扰。
光纤
原理
当光线从高折射率的媒体射向低折射率的媒体时，其折射角将大于入射角。光的入射角大于或等于临界值时，就会完全反射。
分类
接口
ST插头:采用带键的卡口式锁紧结构，确保连接时准确对中。
SC插头:不用螺纹连接，可以直接插拔，用于高密集安装。
FC插头:有较强的抗拉强度，常用于有线电视光网络中。
实现
光源
发光二极管
半导体激光
光电二极管将光信号转换成电信号
性能
- 价格：光纤缆及其连接器要比铜导线昂贵，但价格正在迅速下降，安装费用较高。
- 安装难易程度：较难
- 容量：支持极高的带
- 衰减：光纤缆的衰减极低
- 抗电磁干扰性： 不受电磁波以及高频失真的干扰。 适合于有危险的、高压的或者泄漏信号灵敏性很强的环境。
磁介质
电力线
利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。把信号加载于电流，然后用电线传输，接收信息的适配器再把信号从电流中分离出来，并传送到计算机或电话以实现信息传递。
非导向型传输媒体
在空间利用电磁波直接传送和接收信号
短波
主要是靠电离层的反射，会导致多径效应
性能
- 价格 取决于使用的发送设备和接收设备。
- 数据率 10M以下。
- 安装难易程度 较麻烦，需要反复调试。
- 衰减 取决于频率以及信号功率（频率及功率越高、信号衰减度越慢）。
- 抗电磁干扰性 抗电磁干扰能力差，而且受天气的影响。 多径效应
地面微波
需要微博传送塔接力
性能
- 价格：比无线电贵，有时候比有线方式便宜。
- 安装难易程度：系统安装比较困难，需要非常准确的调试工作，达到正常定位。
- 容量：频段较高,容量较大
- 衰减： 在长距离中衰减会因为雨天或雾天而增大 在短距离范围中衰减无明显变化。
- 抗干扰性 ： 工业干扰的影响比短波通信要小 易受大气环境的干扰 保密性差
卫星
红外系统
红外连接采用光发射二极管（LED）、激光二极管〔LLD）或者光电二极管（就象音像遥控器或光纤收发器）来进行站与站之间的数据交换
不能穿透坚实的物体。 红外通信不能在室外使用
总结
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小型局域网络 |
选择双绞线、无线或者同轴电缆 |
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把多个远程站点（如在WAN上）连接到一起 |
可以选择光纤 |
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与移动着的计算机连网 |
无线媒介必不可少 |
怎么传——信道复用
共享使用公共信道
频分复用FDM
原始带宽分成很多小带宽分下去
时分复用TDM
不同时间不同的人占用
上述都浪费信道资源
统计时分复用STDM
所有用户都间歇的工作 每个时隙包含用户的地址信息
意思也就是谁都可以发，但要知道你是谁
波分复用WDM
和前两种一样，只是技术差距比较大
码分复用CDM
又称码分多址CDMA
所有用户信号均占用信道的全部带宽和任意时间段 。
各用户使用不同码型，各用户之间不会造成干扰。
原理：
每个bit时间被划分为m个短间隔，称为码片（通常m=64或128）
每个站被指派一个唯一的m bit码片序列
- 如果发送1，就发送它自己的m bit码片序列
- 如果发送0，就发送它的m bit码片序列的二进制反码。
两个不同站的码片序列正交
从理论到实际
数字传输系统
早期电话网——时分复用PCM标准
T-标准 (24 路） 北美、日本 ：
E-标准（30路） 欧洲、中国、南美 ：
现代电信网——SONET（同步光纤网络） 和SDH（同步数字系列）
同步光纤网的各级时钟都来自一个非常精确的主时钟——铯时钟(10-11)
宽带接入技术
xDSL
用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，使它能够承载宽带业务。
把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用
前缀 x 则表示在数字用户线上实现的不同宽带方案。
极限传输距离与数据率以及用户线的线径有关——用户线越细，信号传输时的衰减就越大 所能得到的最高数据传输速率与实际的用户线上的信噪比密切相关
ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线
上行和下行带宽是不对称的。
ADSL 在用户线（铜线）的两端各安装一个 ADSL 调制解调器——DMT 技术 ：频分复用
组成：
- 数字用户线接入复用器 DSLAM (DSL Access Multiplexer)
- 接入端接单元 ATU (Access Termination Unit)
- ATU-C（C 代表端局 Central Office）
- ATU-R（R 代表远端 Remote）
- 电话分离器 PS (POTS Splitter)
光纤同轴混合网（HFC）
在目前覆盖面很广的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种居民宽带接入网
HFC网的主干线路采用光纤，光纤结点以下是同轴电缆
具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的覆盖面的有线电视网
可将现有的 450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网
FTTx 技术
(光纤到……)
- 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)
- 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)
- 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)
总结
骨干网:都使用光纤
边界:同轴电缆,双绞线
理论上同轴电缆双绞线具有更宽的带宽
有线电视网随着用户数增加性能下降
电话系统更安全可靠
FTTx是未来发展的趋势
标签：码元,物理层,带宽,计算机网络,传输,信道,信号,光纤 来源： https://www.cnblogs.com/yuxiaohan1236/p/14811714.html
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