计网-2-物理层

第二章 物理层

1. 概念

• 数据——传送信息的实体

• 信号——数据的电气/电磁表现

• 码元——固定时长的内的信号

• 信源、信道、信宿（数据通信系统的划分）

• 速率——数据传输速率
  • 码元传输率 单位是波特baud
  • 比特率
• 带宽——某个信道频带宽度$$f_{max}-f_{min}$$​

信道极限容量

• 1. 奈奎斯特——理想信道

  • 带宽有限为 W Hz

  • 最高码元率：2W 波特

  • 码元的离散电平数量（多少种不同码元）：V

    极限数据传输速率：
    $$R_{\max}=2W\log_2V\quad (b/s)$$

• 2. 香农定理——实际信道（有噪声）

  极限数据传输速率：

  $$C=W\log_2\left(1+\frac{S}{N}\right)\quad (\text{bit/s})$$
  • $\dfrac{S}{N}$：信噪比（线性值，无单位）若有题目数据有单位，要转换成无单位形式

    从线性值到 dB ：$$\mathrm{SNR}_{\mathrm{dB}}=10\log_{10}\left(\frac{S}{N}\right)$$

    从 dB 到线性值：$$\frac{S}{N}=10^{\mathrm{SNR}_{\mathrm{dB}}/10}$$

2. 传输介质

分为有导向（双绞线、光纤）、无导向传输介质（无线电、微波）

考：双绞线、光纤（单模光纤和多模光纤的比较）、通信卫星

• 双绞线

• 光纤：光线在内芯中传输的方式是不断地全反射

  传输模式

  • 多模
  • 单模

  特点

  • 优：高带宽、衰减小、不受电磁干扰、细且轻、安全性高
  • 缺：陌生、易断、贵

  应用：网络骨干长途传播、高速VLAN

• 卫星

  GEO——地球同步卫星

  MEO——中轨道卫星（GPS）

  LEO——低轨道卫星

  

  

3. 数据编码技术

1. 数字数据在模拟信道上传输（通带传输）

2. 数字数据在数字信道上传输（通带传输）

3. 模拟数据在模拟信道上传输

数字数据在模拟信道上传输（通带传输）

基本调制技术

• 幅移键控法（ASK）用不同振幅表示0和1
• 频移键控法（FSK） 用不同频率表示0和1
• 相移键控法（PSK） 用不同相位表示0和1

高速调制技术

• 正交幅度调制（QAM）同时结合PSK和ASK进行混合调制

数据编码

• NRZ——不归零编码

  正电平表示1，负电平表示0

  

• NRZI——不归零逆转

  中间有跳变表示1，码元中间无跳变表示0

  

• 曼彻斯特编码

  高-低的跳变表示1，低-高的跳变表示0

  

模拟数据在数字信道上传输（通带传输）

• ⭐脉码调制PCM

  采样——量化——编码

  基于奈奎斯特理论：对连续变化的模拟信号采样，若$f_s≥2B$，则采用值便可包含原始信号的全部信息

  【例题】电话语音信道带宽 𝐵=4kHz。要求不失真地传输声音，若每次采样量化为 7 bit（128 级）或 8 bit（256 级），求对应的 PCM 码率。

  解答

  采样频率：

  $$f_s \ge 2B = 2\times 4\,\mathrm{kHz} = 8\,\mathrm{kHz},\quad \text{取 } f_s=8000\,\mathrm{Hz}.$$

  采样周期：

  $$T_s=\frac{1}{f_s}=\frac{1}{8000}\,\mathrm{s}=125\,\mu\mathrm{s}.$$

  PCM 码率（每次采样 $n$ bit）：

  $$R=f_s\cdot n.$$

  当 $n=7$：

  $$R=8000\times 7=56000\,\mathrm{bps}=56\,\mathrm{kbps}.$$

  当 $n=8$：

  $$R=8000\times 8=64000\,\mathrm{bps}=64\,\mathrm{kbps}.$$