B站視頻：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)微課堂（有字幕無背景音樂版）
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目錄

• 2.1、物理層的基本概念
• 2.2、物理層下面的傳輸媒體
• • 導(dǎo)引型傳輸媒體
  • 非導(dǎo)引型傳輸媒體
• 2.3、傳輸方式
• • 串行傳輸和并行傳輸
  • 同步傳輸和異步傳輸
  • 單向通信（單工）、雙向交替通信（半雙工）和雙向同時(shí)通信（全雙工）
• 2.4、編碼與調(diào)制
• • **傳輸媒體與信道的關(guān)系**
  • 常用編碼
  • 調(diào)制
  • 碼元
• 2.5、信道的極限容量
• 補(bǔ)充：信道復(fù)用技術(shù)
• • 頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用
  • 波分復(fù)用
  • 碼分復(fù)用

2.1、物理層的基本概念

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2.2、物理層下面的傳輸媒體

傳輸媒體也稱為傳輸介質(zhì)或傳輸媒介，他就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路。傳輸媒體課分為兩大類，即導(dǎo)引型傳輸媒體和非導(dǎo)引型傳輸媒體

傳輸媒體不屬于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的任何一層。如果非要將它添加到體系結(jié)構(gòu)中，那只能將其放置到物理層之下。

導(dǎo)引型傳輸媒體

在導(dǎo)引型傳輸媒體中，電磁波被導(dǎo)引沿著固體媒體傳播。

同軸電纜

雙絞線

光纖

多模光纖

• 可以存在多條不同角度入射的光線在一條光纖中傳輸。這種光纖就稱為多模光纖。

單模光纖

• 若光纖的直徑減小到只有一個(gè)光的波長(zhǎng)，則光纖就像一根波導(dǎo)那樣，它可使光線一直向前傳播，而不會(huì)產(chǎn)生多次反射。這樣的光纖稱為單模光纖。

電力線

非導(dǎo)引型傳輸媒體

非導(dǎo)引型傳輸媒體是指自由空間。

無線電波

微波

紅外線

可見光

LIFI

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2.3、傳輸方式

串行傳輸和并行傳輸

串行傳輸：

• 數(shù)據(jù)是一個(gè)比特一個(gè)比特依次發(fā)送的，因此在發(fā)送端與接收端之間，只需要一條數(shù)據(jù)傳輸線路即可

并行傳輸：

• 一次發(fā)送n個(gè)比特，因此，在發(fā)送端和接收端之間需要有n條傳輸線路

• 并行傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是比串行傳輸?shù)乃俣萵倍，但成本高

數(shù)據(jù)在傳輸線路上的傳輸采用是串行傳輸，計(jì)算機(jī)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸常用并行傳輸

同步傳輸和異步傳輸

同步傳輸：

• 數(shù)據(jù)塊以穩(wěn)定的比特流的形式傳輸。字節(jié)之間沒有間隔
• 接收端在每個(gè)比特信號(hào)的中間時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè)，以判別接收到的是比特0還是比特1
• 由于不同設(shè)備的時(shí)鐘頻率存在一定差異，不可能做到完全相同，在傳輸大量數(shù)據(jù)的過程中，所產(chǎn)生的判別時(shí)刻的累計(jì)誤差，會(huì)導(dǎo)致接收端對(duì)比特信號(hào)的判別錯(cuò)位

所以要使收發(fā)雙發(fā)時(shí)鐘保持同步

異步傳輸：

• 以字節(jié)為獨(dú)立的傳輸單位，字節(jié)之間的時(shí)間間隔不是固定
• 接收端僅在每個(gè)字節(jié)的起始處對(duì)字節(jié)內(nèi)的比特實(shí)現(xiàn)同步
• 通常在每個(gè)字節(jié)前后分別加上起始位和結(jié)束位

單向通信（單工）、雙向交替通信（半雙工）和雙向同時(shí)通信（全雙工）

在許多情況下，我們要使用“信道（channel）”這一名詞。信道和電路并不等同。信道一般都是用來表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體。因此，一條通信電路往往包含一條發(fā)送信道和一條接收信道。

從通信的雙方信息交互的方式來看，可以有以下三種基本方式：

單向通信：

又稱為單工通信，即只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。無線電廣播或有線電以及電視廣播就屬于這種類型

雙向交替通信：

又稱為半雙工通信，即通信的雙方可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送（當(dāng)然也就不能同時(shí)接收）。這種通信方式使一方發(fā)送另一方接收，過一段時(shí)間后可以再反過來

雙向同時(shí)通信：

又稱為全雙工通信，即通信的雙發(fā)可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。

單向通信只需要一條信道，而雙向交替通信或雙向同時(shí)通信則需要兩條信道（每個(gè)方向各一條）

雙向同時(shí)通信的傳輸效率最高

2.4、編碼與調(diào)制

常用術(shù)語

• 數(shù)據(jù) (data) —— 運(yùn)送消息的實(shí)體。

• 信號(hào) (signal) —— 數(shù)據(jù)的電氣的或電磁的表現(xiàn)。

• 模擬信號(hào) (analogous signal) —— 代表消息的參數(shù)的取值是連續(xù)的。

• 數(shù)字信號(hào) (digital signal) —— 代表消息的參數(shù)的取值是離散的。

• 碼元 (code) —— 在使用時(shí)間域（或簡(jiǎn)稱為時(shí)域）的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。

• 基帶信號(hào)（即基本頻帶信號(hào)）—— 來自信源的信號(hào)。像計(jì)算機(jī)輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號(hào)都屬于基帶信號(hào)。

• 基帶信號(hào)往往包含有較多的低頻成分，甚至有直流成分，而許多信道并不能傳輸這種低頻分量或直流分量。因此必須對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行調(diào)制 (modulation)。

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，常見的是將數(shù)字基帶信號(hào)通過編碼或調(diào)制的方法在相應(yīng)信道進(jìn)行傳輸

傳輸媒體與信道的關(guān)系

信道的幾個(gè)基本概念

• 信道 —— 一般用來表示向某一個(gè)方向傳送信息的媒體。
• 單向通信（單工通信）——只能有一個(gè)方向的通信而沒有反方向的交互。
• 雙向交替通信（半雙工通信）——通信的雙方都可以發(fā)送信息，但不能雙方同時(shí)發(fā)送(當(dāng)然也就不能同時(shí)接收)。
• 雙向同時(shí)通信（全雙工通信）——通信的雙方可以同時(shí)發(fā)送和接收信息。

嚴(yán)格來說，傳輸媒體不能和信道劃等號(hào)

對(duì)于單工傳輸，傳輸媒體只包含一個(gè)信道，要么是發(fā)送信道，要么是接收信道

對(duì)于半雙工和全雙工，傳輸媒體中要包含兩個(gè)信道，一個(gè)發(fā)送信道，另一個(gè)是接收信道

如果使用信道復(fù)用技術(shù)，一條傳輸媒體還可以包含多個(gè)信道

常用編碼

不歸零編碼

• 正電平表示比特1/0

• 負(fù)電平表示比特0/1

中間的虛線是零電平，所謂不歸零編碼，就是指在整個(gè)碼元時(shí)間內(nèi)，電平不會(huì)出現(xiàn)零電平

實(shí)際比特1和比特0的表示要看現(xiàn)實(shí)怎么規(guī)定

這需要發(fā)送方的發(fā)送與接收方的接收做到嚴(yán)格的同步

• 需要額外一根傳輸線來傳輸時(shí)鐘信號(hào)，使發(fā)送方和接收方同步，接收方按時(shí)鐘信號(hào)的節(jié)拍來逐個(gè)接收碼元
• 但是對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，寧愿利用這根傳輸線傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，而不是傳輸時(shí)鐘信號(hào)

由于不歸零編碼存在同步問題，因此計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸不采用這類編碼！

歸零編碼

歸零編碼雖然自同步，但編碼效率低

曼徹斯特編碼

在每個(gè)碼元時(shí)間的中間時(shí)刻，信號(hào)都會(huì)發(fā)生跳變

• 負(fù)跳變表示比特1/0
• 正跳變表示比特0/1
• 碼元中間時(shí)刻的跳變即表示時(shí)鐘，又表示數(shù)據(jù)

實(shí)際比特1和比特0的表示要看現(xiàn)實(shí)怎么規(guī)定

傳統(tǒng)以太網(wǎng)使用的就是曼切斯特編碼

差分曼徹斯特編碼

在每個(gè)碼元時(shí)間的中間時(shí)刻，信號(hào)都會(huì)發(fā)送跳變，但與曼徹斯特不同

• 跳變僅表示時(shí)鐘
• 碼元開始處電平是否變換表示數(shù)據(jù)
  • 變化表示比特1/0
  • 不變化表示比特0/1

實(shí)際比特1和比特0的表示要看現(xiàn)實(shí)怎么規(guī)定

比曼徹斯特編碼變化少，更適合較高的傳輸速率

總結(jié)

調(diào)制

數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，在模擬信道中傳輸，例如WiFi，采用補(bǔ)碼鍵控CCK/直接序列擴(kuò)頻DSSS/正交頻分復(fù)用OFDM等調(diào)制方式。

模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一種模擬信號(hào)，在模擬信道中傳輸，例如，語音數(shù)據(jù)加載到模擬的載波信號(hào)中傳輸。頻分復(fù)用FDM技術(shù)，充分利用帶寬資源。

基本調(diào)制方法

• 調(diào)幅AM：所調(diào)制的信號(hào)由兩種不同振幅的基本波形構(gòu)成。每個(gè)基本波形只能表示1比特信息量。
• 調(diào)頻FM：所調(diào)制的信號(hào)由兩種不同頻率的基本波形構(gòu)成。每個(gè)基本波形只能表示1比特信息量。
• 調(diào)相PM：所調(diào)制的信號(hào)由兩種不同初相位的基本波形構(gòu)成。每個(gè)基本波形只能表示1比特信息量。

但是使用基本調(diào)制方法，1個(gè)碼元只能包含1個(gè)比特信息

混合調(diào)制

上圖碼元所對(duì)應(yīng)的4個(gè)比特是錯(cuò)誤的，碼元不能隨便對(duì)應(yīng)4個(gè)比特

碼元

在使用時(shí)間域的波形表示數(shù)字信號(hào)時(shí)，代表不同離散數(shù)值的基本波形。

2.5、信道的極限容量

• 任何實(shí)際的信道都不是理想的，在傳輸信號(hào)時(shí)會(huì)產(chǎn)生各種失真以及帶來多種干擾。
• 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?#xff0c;或信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)，或傳輸媒體質(zhì)量越差，在信道的輸出端的波形的失真就越嚴(yán)重。

失真的原因：

• 碼元傳輸?shù)乃俾试礁?/li>
• 信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越遠(yuǎn)
• 噪聲干擾越大
• 傳輸媒體質(zhì)量越差

奈氏準(zhǔn)則和香農(nóng)公式對(duì)比：

補(bǔ)充：信道復(fù)用技術(shù)

本節(jié)內(nèi)容視頻未講到，是《計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)（第7版）謝希仁》物理層的內(nèi)容

頻分復(fù)用、時(shí)分復(fù)用和統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用

復(fù)用 (multiplexing) 是通信技術(shù)中的基本概念。

它允許用戶使用一個(gè)共享信道進(jìn)行通信，降低成本，提高利用率。

頻分復(fù)用 FDM (Frequency Division Multiplexing)

• 將整個(gè)帶寬分為多份，用戶在分配到一定的頻帶后，在通信過程中自始至終都占用這個(gè)頻帶。
• 頻分復(fù)用的所有用戶在同樣的時(shí)間占用不同的帶寬資源（請(qǐng)注意，這里的“帶寬”是頻率帶寬而不是數(shù)據(jù)的發(fā)送速率）。

時(shí)分復(fù)用TDM (Time Division Multiplexing)

• 時(shí)分復(fù)用則是將時(shí)間劃分為一段段等長(zhǎng)的時(shí)分復(fù)用幀（TDM幀）。每一個(gè)時(shí)分復(fù)用的用戶在每一個(gè) TDM 幀中占用固定序號(hào)的時(shí)隙。
• 每一個(gè)用戶所占用的時(shí)隙是周期性地出現(xiàn)（其周期就是TDM幀的長(zhǎng)度）的。
• TDM 信號(hào)也稱為等時(shí) (isochronous) 信號(hào)。
• 時(shí)分復(fù)用的所有用戶在不同的時(shí)間占用同樣的頻帶寬度。

• 時(shí)分復(fù)用可能會(huì)造成線路資源的浪費(fèi)
  • 使用時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)傳送計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)時(shí)，由于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)的突發(fā)性質(zhì)，用戶對(duì)分配到的子信道的利用率一般是不高的。

統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用 STDM (Statistic TDM)

波分復(fù)用

波分復(fù)用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

碼分復(fù)用

碼分復(fù)用 CDM (Code Division Multiplexing)

• 常用的名詞是碼分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。
• 各用戶使用經(jīng)過特殊挑選的不同碼型，因此彼此不會(huì)造成干擾。
• 這種系統(tǒng)發(fā)送的信號(hào)有很強(qiáng)的抗干擾能力，其頻譜類似于白噪聲，不易被敵人發(fā)現(xiàn)。

創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎(jiǎng)勵(lì)來咯，堅(jiān)持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎(jiǎng)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的计算机网络第2章（物理层）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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