从零开始的计网学习-物理层

写在最前面：本篇文章的主要资料来源为《[公众号蓝蓝考研]计算机网络背诵版》，同时会在遇到重点问题时广泛收集网上资料，使得记录更加详细。本次整理仅用于个人学习。

老规矩，先来说一下本节考点：

定义标准的四大特性
奈式准则与香农定理
编码与调制
数据交换方式
物理层设备与传输介质

考点说明：各个考点即为下面的小节标题，会分别进行介绍。其中奈式准则与香农定理涉及到计算。

基础概念

下面会介绍一些重要的术语定义，要注意区分与记忆。

定义标准的四大特性

这是一个很重要的考点，需要记住这四大特性的特征。

机械特性：规定连接时候的规格、接口形状、引线数目、引脚数量等
电气特性：电压范围、阻抗匹配、传输效率、距离限制
功能特性：某条线上出现的某一电平代表何种意义
规程特性：物理线路的工作规程与时序关系

注：简记为“机电功规”。因为是物理层范畴，所以都是与硬件相关的。

实例题目：

数据通信基础概念

注：这里的几个概念要明确，与信息论学习结合起来。

速率与波特

提醒：这是一个很重要的计算题考点，要注意区分这些很类似的概念。

码元传输速率 = 码元速率 = 波形速率 = 符号速率 = 调制速率 = 单位时间内通信系统传输的码元个数
信息传输速率 = 信息速率 = 比特率（b/s)
波特率 = 每秒传输的码元符号的个数
关系：波特率 = 比特率/每个码元所含比特数 = 信息传输速率/每个码元所含比特数

提醒：这里要区分波特率和比特率，具体如下：

波特率：是码元传输速率单位，他说明单位时间传输了多少个码元。
比特率：是信息量传送速率单位，即每秒传输二进制代码位数。bit/s

可能还不是很清楚，举例说明：

如果在数字传输过程中，用0V表示数字0，5V表示数字1，那么每个码元有两种状态0和1. 每个码元代表一个二进制数字。此时的每秒码元数和每秒二进制代码数是一样的，这叫两相调制，波特率等于比特率。
如果在数字传输过程中，0V、2V、4V和6V分别表示00、01、10和11，那么每个码元有四种状态00、01、10和11. 每个码元代表两个二进制数字。此时的每秒码元数是每秒二进制代码数是一半的，这叫四相调制，波特率等于比特率一半。

两者关系：比特率=波特率X单个调制状态对应的二进制位数

一个例子：波特率计算

三大通信方式

单工通信：一个方向的通信，如无线电广播
半双工通信：双向交替通信，只是双方不能同时发送
双工通信：双方可以同时通信

两种传输方式

串行传输：按照比特、时间顺序传输
- 速度慢但是费用低，适合远距离通信
并行传输：多比特多条通信通道同时传输
- 速度快但是费用高，适合近距离通信
注：很好理解，远距离当然选择成本低的。

奈式准则与香农定理

奈式准则

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
理想带通信道的最高码元传输速率 = W Baud

其中W为信道带宽，Baud为波特即码元/秒

注：理想低通（无噪声、带宽受限），理想带通（带宽受限、有噪声）；带宽只有在奈氏准则和香农定理中单位是HZ，其余都是b/s。

理想低通信道的极限数据传输速率 = 2W * log2V
其中W是信道带宽，单位为HZ；V是码元的离散电平数目，也就是每一个码元的状态数。

注：由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以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的个比特量的信息，这就需要多元制的调制方法。

香农定理

信道的极限数据传输速率 c = W log2(1+S/N)*

其中：

C：信道的极限数据传输速率
W：信道带宽（HZ）
S：信道内的高斯噪音
S/N：信噪比(DB) = 10 * log2(1+S/N) db

注：信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比，常记于S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。

奈式公式与香农定理的比较

奈氏准则指出，码元传输速率是受限的；香农定理则给出了信息传输速率的极限。也就是说，奈氏准则认为码元编码足够好，就不会限制信息传输速率。

码元传输速率（波特率），是指传输码元的速率。与信息传输速率（比特率）的区别在于，一个码元通过调频调相，可以显示出多种变化，就可以代表多个比特。一般来讲，信息传输速率=码元传输速率*log2(码元变化数量)。 - 具体前面已经介绍过

所以其实区别只有一个，那就是奈氏准则是针对波特率的，没有限制比特率，他认为码元传输速率一旦确定，再确定码元所载的比特数，极限信息传输速率也就确定了；而香农公式通过极其复杂的推演，得出了结论：信息传输速率也是有极限的，且这个极限不是由波特率单独决定，还是由传输带宽和信噪比决定的。

实例题目：主要是的几个相关计算

注意：使用香农定理时先通过公式由信噪比计算出S/N再带入。

注意：只有奈式准则先判断是否有噪声。

注意：这一题是一个易错点，在计算最大数据率时要比较一下香农定理得到的结果与奈式准则的结果，取二者的较小者。

四大编码方式

实例题目：主要是区分各个编码的画法

编码与调制

区分一下：

1、数字信号是离散（不连续）的，而模拟信号是连续的；
2、数字信号只有“0”和“1”两种状态，而摸拟信号可以是任意数值状态；
3、模拟信号是用一系列连续变化的电磁波或电压信号来表示，而数字信号是用一系列断续变化的电压脉冲或光脉冲来表示。

扩展一下：模拟数据与数字数据

不同的数据必须转换为相应的信号才能进行传输：

模拟数据一般采用模拟信号(Analog Signal)，例如用一系列连续变化的电磁波(如无线电与电视广播中的电磁波)，或电压信号(如电话传输中的音频电压信号)来表示；
数字数据则采用数字信号(Digital Signal)，例如用一系列断续变化的电压脉冲(如我们可用恒定的正电压表示二进制数1，用恒定的负电压表示二进制数0)，或光脉冲来表示。
当模拟信号采用连续变化的电磁波来表示时，电磁波本身既是信号载体，同时作为传输介质；
而当模拟信号采用连续变化的信号电压来表示时，它一般通过传统的模拟信号传输线路(例如电话网、有线电视网)来传输。
当数字信号采用断续变化的电压或光脉冲来表示时，一般则需要用双绞线、电缆或光纤介质将通信双方连接起来，才能将信号从一个节点传到另一个节点。

模拟信号和数字信号之间可以相互转换：

模拟信号一般通过PCM脉码调制(Pulse Code Modulation)方法量化为数字信号，即让模拟信号的不同幅度分别对应不同的二进制值，例如采用8位编码可将模拟信号量化为2^8=256个量级，实用中常采取24位或30位编码；
数字信号一般通过对载波进行移相(Phase Shift)的方法转换为模拟信号。计算机、计算机局域网与城域网中均使用二进制数字信号，目前在计算机广域网中实际传送的则既有二进制数字信号，也有由数字信号转换而得的模拟信号。但是更具应用发展前景的是数字信号。