文章摘要
GoodBoyboyGPT
本文介绍了计算机网络体系结构中的物理层基本概念、传输媒体如同轴电缆、双绞线和光纤的特点，以及无线电波和红外线等传输方式。讨论了不同类型的双绞线及其应用场景，光纤优缺点，多模与单模光纤的区别，以及无线电波频段和微波应用。此外还涵盖了串行 / 并行传输、同步 / 异步传输、单工 / 半双工 / 全双工传输等内容，并对编码与调制技术进行了解析。文章深入浅出地介绍了计算机网络通信相关知识。
此内容根据文章生成，并经过人工审核，仅用于文章内容的解释与总结

物理层基本概念

导引型传输媒体

  • 同轴电缆
  • 双绞线
  • 光纤

非导引型传输媒体

  • 微波通信(2-40Ghz)
  • 无线电波
  • 红外线
  • 可见光

协议主要任务

  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置。
  • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。
  • 过程特性：指明某条线.上出现的某一电平的电压表示何种意义。

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流。
物理层为数据链路层屏蔽了各种传输媒体的差异，使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务,而不必考虑网络具体的传输媒体是什么。

传输媒体

同轴电缆

  • 基带同轴电缆(50欧)：数字传输，过去用于局域网
  • 宽带同轴电缆(75欧)：模拟传输，目前主要用于有线电视

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便，随着集线器的出现，在局域网领域基本。上都是采用双绞线作为传输媒体。

双绞线

绞合的作用：

抵御部分来自外界的电磁波干扰
减少相邻导线的电磁干扰

绞合线类别 带宽 线缆特点 典型应用
3 16MHz 2对4芯双绞线 模拟电话;曾用于传统以太网( 10Mbit/s )
4 20MHz 4对8芯双绞线 曾用于令牌局域网
5 100MHz 与4类相比增加了绞合度 传输速率不超过100Mbit/s的应用
5E(超五类) 125MHz 与5类相比衰减更小 传输速率不超过1 Gbit/s的应用
6 250MHz 与5类相比改善了串扰等性能 传输速率高于1Gbit/s的应用
7 600MHz 使用屏蔽双绞线 传输速率高于10Gbit/s的应用

光纤

室外四芯光缆

纤芯直径
  • 多模光纤: 50微米，62.5微米
  • 单模光纤: 9微米
包层直径

125微米

工作波长
  • 0.85微米 (衰减较大)
  • 1.30微米(衰减较小)
  • 1.55微米(衰减较小)

光纤的优点

  • 通信容量大 (25000~ 30000GHz的带宽)
  • 传输损耗小，远距离传输时更加经济。
  • 抗雷电和电磁干扰性能好。 这在大电流脉冲干扰的环境下尤为重要。
  • 无串音干扰， 保密性好，不易被窃听。
  • 体积小，重量轻。

光纤的缺点

  • 割接需要专用设备
  • 光电接口价格较贵

多模光纤

  • 由于色散(模式、材料、波导色散) ,光在多模光纤中传输一定距离后必然产生信号失真(脉冲展宽)因此,多模光纤只适合近距离传输(建筑物内)
  • 发送光源:发光=极管;接收检测: 光电二极管

单模光纤

  • 没有模式色散，在1.31微米波长附近材料色散和波导色散大小相等符号相反，两者正好抵消。
  • 单模光纤适合长距离传输且衰减小， 但其制造成本高，对光源要求高。
  • 发送光源: 激光发生器:接收检测: 激光检波器

电力线

电力猫

无线电波

ITU波段号 频段名称 缩写 频率范围 波段名称 波长范围 用途
1 极低频 ELF 3Hz ~ 30Hz 极长波 100,000km ~ 10,000km 潜艇通讯或直接转换成声音
2 超低频 SLF 30Hz ~ 300Hz 超长波 10,000km ~ 1,000km 直接转换成声音或交流输电系统(50~60Hz)
3 特低频 ULF 300Hz ~ 3KHz 特长波 1 000km ~ 100km 矿场通讯或直接转换成声音
4 甚低频 VLF 3KHz ~ 30KHz 甚长波 100km ~ 10km 直接转换成声音、超声，地球物理学研究

无线电波：

ITU波段号 频段名称 缩写 频率范围 波段名称 波长范围 用途
5 低频 LF 30KHz ~ 300KHz 长波 10km ~ 1km 国际广播，全向信标
6 中频 MF 300KHz ~ 3MHz 中波 1km~100m 调幅(AM) 广播，全向信标，海事及航空通讯
7 高频 HF 3MHz ~ 30MHz 短波 100m ~ 10m 短波、民用电台
8 甚高频 VHF 30MHz ~ 300MHz 米波 10m ~ 1m 调频(FM) 广播，电视广播，航空通讯

微波

ITU波段号 频段名称 缩写 频率范围 波段名称 波长范围 用途
9 特高频 UHF 300MHz ~ 3GHz 分米波 1m ~ 100mm 电视广播，无线电话通讯，无线网络，微波炉
10 超高频 SHF 3GHz ~ 30GHz 厘米波 100mm ~ 10mm 无线网络，雷达，人造卫星接收
11 极高频 EHF 30GHz ~ 300GHz 毫米波 10mm ~ 1mm 射电天文学，遥感，人体扫描安检仪

红外线

  • 点对点无线传输
  • 直线传输，中间不能有障碍物，传输距离短
  • 传输速率低(4Mb/s~16Mb/s)

传输方式

串行/并行传输

  • 串行传输：数据是一个比特一个比特依次发送的。
  • 并行传输：一次发送n个比特而不是一个比特。

同步/异步传输

同步传输：数据块以稳定的比特流的形形式传输。字节之间没有问隔。

时钟同步：

  • 外同步:在收发双方之间添加一条单独的时钟信号线
  • 内同步:发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输(例如曼彻斯特编码)

异步传输：以字节为独立传输单位，字节之间的时间间隔是不固定的

  • 字节之间异步(字节之间的时间间隔不固定)
  • 字节中的每个比特仍然要同步(各比特的持续时间是相同的)

单工/半双工/全双工传输

  • 单工传输：通信双方只有一个数据传输方向。
  • 半双工传输：通信双方可以相互传输数据，但不能同时进行。
  • 全双工传输：通信双方可以同时发送和接收信息。

编码与调制

常用编码

  • 不归零编码(存在同步问题)
  • 归零编码(自同步，编码效率低)
  • 曼彻斯特编码(传统以太网，10Mb/s)
  • 差分曼彻斯特编码(比曼彻斯特编码变化少，更适合较高的传输速率)

正交振幅调制QAM

QAM-16：

  • 12种相位
  • 每种相位有1或2种振幅可选
  • 可以调制出16种码元(波形)，每种码元可以对应表示4个比特
  • 码元与4个比特的对应关系采用格雷码
  • 任意两个相邻码元只有1个比特不同

信道的极限容量

失真因素：

  • 码元传输速率
  • 信号传输距离
  • 噪声干扰
  • 传输媒体质量

奈斯准则：

在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率是有上限的。

理想低通信道的最高码元传输速率= 2W Baud = 2W码元/秒
理想带通信道的最高码元传输速率= W Baud = W码元/秒
W:信道带宽(单位为Hz)
Baud:波特，即码元/秒

  • 码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。它与比特率有一定关系:
    当1个码元只携带1比特的信息量时，则波特率(码元/秒)与比特率(比特/秒)在数值上是相等的;
    当1个码元携带n比特的信息量时，则波特率转换成比特率时,数值要乘以n。
  • 要提高信息传输速率(比特率) ,就必须设法使每一个码元能携带更多个比特的信息量。这需要采用多元制。
  • 实际的信道所能传输的最高码元速率， 要明显低于奈氏准则给出的这个上限数值。

香农公式：

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率。

c=W×log⁡2(1+SN)c=W \times \log_{2}{(1+\frac{S}{N} ) }

c:信道的极限信息传输速率(单位: b/s)
W:信道带宽(单位: Hz)
S:信道内所传信号的平均功率
N:信道内的高斯噪声功率
S/N:信噪比，使用分贝(dB)作为度量单位
信噪比(dB) =10 ×log⁡2(1+SN)\times \log_{2}{(1+\frac{S}{N} ) } (dB)

  • 信道带宽或信道中信噪比越大，信息的极限传输速率越高。

  • 在实际信道上能够达到的信息传输速率要比该公式的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，如各种脉冲干扰、信号在传输中的衰减和失真等，这些因素在香农公式中并未考虑。

  • 在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制(更好的调制方法)和努力提高信道中的信噪比。

  • 自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。