計算機網路--物理層
阿新 • • 發佈：2022-04-07
物理層
物理層的基本概念
傳輸媒體
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導引型
- 雙絞線
- 同軸電纜
- 光纖
- ...
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非導引型
- 微波通訊 (2 ~ 40 GHz)
- 紅外線
- ...
物理層協議的主要任務
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機械特性
指明介面所用接線器規格，形狀和尺寸、引線數目和排列、固定和鎖定裝置等
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電氣特性
指明在介面電纜的各條線上出現的電壓的範圍
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功能特性
指明某條線上出現的某一電平的電壓表示何種意義
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過程特性
指明對於不同功能的各種可能事件的出現順序
重點
- 物理層考慮的是怎樣才能在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸位元流
- 物理層為資料鏈路層遮蔽了各種傳輸媒體的差異，使資料鏈路層只需要考慮如何完成本層的協議和服務，而不必考慮網路具體的傳輸媒體是什麼
傳播方式
序列傳輸
遠距離傳輸【計算機網路】
並行傳輸
計算機內部【CPU與記憶體】
同步傳輸
存在時鐘誤差積累，處理方法：使雙方時鐘同步
- 外同步：在收發雙方之間新增一條單獨的時鐘訊號線
- 內同步：傳送端將時鐘同步訊號編碼到傳送資料中一起傳輸（例如曼徹斯特編碼）
非同步傳輸
需要在每個位元組前後新增起始位和結束位
- 位元組之間非同步（位元組時間間隔不固定）
- 位元組中每個位元仍然同步（各位元的持續時間是相同的）
單向通訊
資料傳輸方向為單向
雙向交替通訊
資料傳輸方向為雙向，但不能同時
雙向同時通訊
資料傳輸方向為單向，但有兩個通道
編碼與調製
flowchart TD A(("訊息")) B(("資料")) C(("訊號")) D(("基帶\n訊號")) E("基帶訊號") E1("數字\n基帶訊號") E2("模擬\n基帶訊號") F1[["數字通道"]] F2[["模擬通道"]] %% 基礎模型 subgraph model["基礎模型"] direction LR A -."運送訊息的\n實體".-> B B -."s資料的\n電磁表現".-> C C -."信源發出的\n原始電訊號".-> D D -..-> E1 D -..-> E2 end %% 編碼與調製 subgraph id["編碼與調製"] direction LR E -."編碼".-> F1 E -."調製".-> F2 end model --- id碼元
在使用時間域的波形表示數字訊號時，代表不同離散數值的基本波形
常用編碼
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不歸零編碼 【存在同步問題】
需要額外傳輸線【時鐘訊號】
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歸零編碼 【編碼效率低】
相當把時鐘訊號用 "歸零" 方式編碼編入資料內，稱為自同步訊號
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曼徹斯特編碼
碼元中間時刻的跳變表示時鐘，又同時表示資料
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差分曼徹斯特編碼
- 跳變僅表示時鐘
- 碼元開始處電平是否發生變化表示資料
調製方法
基本調製
- 調幅 (AM)
- 調頻 (FM)
- 調相 (PM)
使用基本調製方法，1 個碼元只能包含 1 個位元資訊
混合調製
- 因為頻率和相位是相關，所以一次只能調製頻率和相位中的一個
- 通常情況下，相位和振幅可以結合一起調製，稱為正交振幅調製 QAM
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QAM-16
- 12 種相位
- 每種相位有 1~2 種振幅可選
- 每個碼元可以對應 4 位元
- 碼元與 4 個位元對應關係應該滿足格雷碼
通道極限容量
- 碼元是承載資訊訊號的基本訊號單位
奈氏準則
在假定的理想條件下，為了避免碼間串擾，碼元傳輸速率是有極限的
- 理想低通訊道的最高碼元傳輸速率 = \(2W\;Baud\)
- 理想帶通訊道的最高碼元傳輸速率 = \(W\;Baud\)
- \(W\): 通道頻寬（單位為 Hz ）
- \(Baud\): 波特，即碼元/秒
夏農公式
頻寬受限且有高斯白噪聲干擾的通道的極限資訊傳輸速率
\[C = {W}\times{ \log_2{ (1+ \dfrac{S}{N}) } } \]