二、物理层

2.1 通信基础

2.1.2 失真

2.1.2.1 失真的一种现象–码间传输

码间串扰:接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

**信道带宽：**是信道能通过的最高频率和最低频率之差。

注：200hz 震动频率太低，会损耗
4000hz 太快，导致界限不清楚

2.1.3 奈氏准则与香农定理（单位: Hz）

2.1.3.1 奈氏准则（奈奎斯特定理）：

为解决码间串扰现象，在理想低通（无噪声，带宽受限）【不受外界影响 】 条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud（波特），w是信道带宽,单位是Hz。

传输慢：可以在接收端清楚分辨出01

传输快：接收端分辨不出01

V：如：4种不同的相位，4种不同的波形，则V=4

1.在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。
⒉.信道的频带越宽【W越大】 （即能通过的信号高频分量越多_{【高低差大】})，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。
3.奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率【香农定理】给出限制。
4.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个比特的信息量,这就需要采用多元制的调制方法。

例题（2.1.3.1）：在无噪声的情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位，每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输率是多少?
解：由题 W = 3×10^3 Hz,V=4; 4个相位4种振幅=》信号有4x4=16种变化
则：最大数据传输率=2Wlog₂V=2×3000×log₂16=24x10^3 b/s

2.1.3.2 香农定理

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号强，噪声影响小。因此，信噪比就很重要。

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝(dB）作为度量单位，即:
数值等价

香农定理:在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。

dB为数无单位直接用 ，有单位须使用求出S/N数值等价

1.信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传物速率就越高。
2.对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。
3.只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。
4.香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少。
5.从香农定理可以看出，若信道带宽w或信噪比s/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

例题：例.电话系统的典型参数是信道带宽为3000Hz，信噪比为30dB，则该系统最大数据传输速率是多少?
解：由题dB=10log₁₀(S/N)=30 =>s/n
最大数据传输速率=
3000 x log₂（1+s/n）

2.1.4奈氏准则和香农定理区别

区别：有无噪音，特殊见例题

特殊情况:题目∶二进制信号在信噪比为127∶1的4kHz信道上传输，最大的数据速率可达到多少?
由题：S/N=127 ; 二进制信号=>V=2 ；W=4000
则，奈氏定理中最大的数据速率=2Wlog₂V=2x4000xlog₂2=8000
香农定理中最大的数据速率=Wlog₂（1+S/N）=4000xlog₂(1+127)=4000X7=28000
由于8000<28000，最大的数据速率8000b/s

注意：由于8000<28000，最大的数据速率8000b/s，最大的数据速率取两者最小的情况

2.1.5 编码与调制

2.1.5.1 基带信号与宽带信号

信道

信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

曼彻斯特编码

基带信号与宽带信号

区别：在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易变化)
在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)

2.1.5.2 编码与调制

2.1.6 编码与调制第二话

2.1.6.1 数字数据编码为数字信号

非归零编码（不常用）

非归零编码(高1低0)编码容易实现，但无检错功能,且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

归零编码(不常用)

(4）归零编码【Rz】
信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码成编码方式。

反转不归零编码(不常用)

(5)反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不反转表示1。

曼彻斯特编码(重要)

曼彻斯特编码:将一个码元分成两个相等的间隔，前低后高表码元1;码元0则正好相反。也可采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作时钟信号（可用于同步),又作数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

差分曼彻斯特编码(重要，常用于局域网)

(3)差分曼彻斯特编码同1异0：常用于局域网传输，其规则是:若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

4B/5B编码

4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B。编码效率为80%。
只采用16种对应16种不同的4位码,其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，线路的状态信息等)或保留。

2.1.6.2 数字数据调制为模拟信号

概念：数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

例题：调幅+调相（QAM)，某通信链路的波特率是1200Baud，采用4个相位，每个相位有4种振幅的QAM调制技术，则该链路的信息传输速率是多少?
解： 由 采用4个相位，每个相位有4种振幅===》4x4=16种码元，则V=16
由波特率是1200Baud===》2W=1200Baud
由奈氏准则，V=2Wlog₂V=1200x4=4800b/s

2.1.6.3 模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。
例子就是对音频信号进行编码的脉码调制（PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步:抽样、量化、编码。

1.抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样:f_采样频率≥2f_{信号最高频率}

⒉量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。
3.编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

2.1.6.4 模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本地交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

2.1.7 为什么要数据交换？

低效

2.1.7.1 数据交换方式

存储转发（报文交换、分组交换）。电路交换

电路交换

建立连接阶段

特点:独占资源，用户始终占用端到端的固定传输带宽。适用于远程批处理信息传输或系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。

优缺点

报文交换

报文:报文(message)是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了将要发送的完整的数据信息，其长短很不一致,长度不限且可变。

报文交换的原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，其数据传输的单位是报文，传送过程采用存储转发方式。

报文交换的优缺点

分组交换

分组:大多数计算机网络都不能连续地传送任意长的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块地发送，这种小块就称作分组（(packet) 。

分组父换的原理: 分组交换与报文交换的工作方式基本相同，都采用存储转发方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般选128B。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收结点将收到的分组组装成信息或报文。

分组交换优缺点

2.1.7.2 数据交换方式的选择

1.传送数据量大，且传送时间远大于呼叫时，选择电路交换。电路交换传输时延最小。
2.当端到端的通路有很多段的链路组成时,采用分组交换传送数据较为合适。
3.从信道利用率上看，报文交换和分组交换优于电路交换，其中分组交换比报文交换的时延小，尤其适合于计算机、互联网之间的突发式的数据通信。

分组交换方式

数据报方式

特点：

虚电路方式

特点：

数据包和虚电路对比