物理层

• 1: 通信概念
• 2: 编码和调制
• 3: 交换方式
• 4: 物理层设备

# 物理层

## 通信基础

- 信道、信号、带宽、码元、波特、速率、信源与信宿等基本概念
- 奈奎斯特定理和香农定理
- 编码和调制
- 电路交换、报文交换与分组交换
- 数据报和虚电路

## 传输介质

- 双绞线、同轴电缆、光纤与无线传输介质
- 物理层接口的特性

## 物理层设备

- 中继器
- 集线器

1 - 通信概念

通信指标

1. 信道 (Channel)：
   • 是指进行信息传输的媒介或路径。这可能是一个物理的媒介，例如电缆，或者是无线的，如无线电波。
2. 信号 (Signal)：
   • 是载有信息的物理现象。例如，电信号、光信号或无线电波。
3. 带宽 (Bandwidth)：
   • 描述的是信号的频率范围，或者更具体地说，是通信信道所能传输的最大数据速率。在计算机网络中，带宽通常用来指代网络的数据传输速率，单位可能是比特/秒（bps）。
4. 码元 (Symbol)：
   • 在数字通信中，码元代表一个信号或符号的特定状态。例如，对于二进制信号，一个码元可能表示一个比特，其值可以是0或1。
5. 波特 (Baud)：
   • 表示每秒传输的码元数。波特率和比特率不一定相同。例如，如果每个码元代表2比特，那么比特率是波特率的两倍。
6. 速率 (Rate)：
   • 是指数据的传输速度。常见的单位有比特/秒（bps）、字节/秒（Bps）等。
7. 信源 (Source)：
   • 产生或发送信息的设备或实体。
8. 信宿 (Sink or Destination)：
   • 是指接收信息的设备或实体。

速率可以用两种指标来衡量：

• 比特率：每秒传输的比特数量
• 波特率：每秒传输的波特数量

一个码元可以包含多个比特，如果一个码元携带 $n$ 比特的信息量，则波特率M对应的比特率为 $Mn$ bit/s

奈奎斯特定理

奈奎斯特定理说明了在 理想低通（没有噪声、带宽有限） 的信道中的数据极限传输速率，当传输速率小于等于该速率时，不会产生码间串扰。

奈奎斯特定理的核心思想是，为了正确地重构一个连续信号，需要以足够高的采样率对该信号进行采样。具体来说，奈奎斯特定理提供了以下关键观点：

1. 最低采样率： 奈奎斯特定理规定，为了准确地采样和重构一个连续信号，采样率必须至少是信号中最高频率成分的两倍（或更高）。这就意味着，如果信号的最高频率成分是 f，则采样率应该至少为 2f。
2. 奈奎斯特频率： 最高频率成分的一半，也称为奈奎斯特频率，是一个重要的参考点。信号的频率成分高于奈奎斯特频率的部分将无法正确地重构，导致混叠（aliasing）效应，损害信号质量。
3. 混叠效应： 如果采样率低于奈奎斯特频率的两倍，那么高于奈奎斯特频率的信号成分将在采样后出现混叠，即被误识别为低于奈奎斯特频率的信号成分，从而导致信息丢失和失真。

若 $W$ 是理想低通信道的带宽，则极限波特率为 $2W$ （单位为baud/s），若用 $V$表示每个码元离散电平的数据（$V$ 种不同的电平可以最多表示 $log_2{V}$ 个比特），则极限传输率为 $2W \cdot log_2{V}$ （单位为b/s）

香农定理

香农定理说明了在 有噪音干扰、带宽有限 的信道中的数据极限传输速率，当实际传输速率小于等于改速率时，可以做到不产生误差。

香农定理的核心思想是：在一个通信系统中，如果你知道了消息的概率分布以及系统的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR），那么你可以计算出一种编码方式，使得在给定的信噪比下，消息可以以极高的可靠性进行传输，同时使得信息传输的速率最大化。

具体来说，香农定理提出了以下几个重要概念和结论：

1. 信道容量（Channel Capacity）：信道容量是一个通信信道所能传输的最大信息速率。它取决于信道的带宽和信噪比，通常以比特每秒（bps）为单位来表示。
2. 香农公式：香农定理提供了一个计算信道容量的数学公式，该公式将信道的带宽和信噪比与最大信息传输速率联系起来。公式如下：

$$C = B * log_2(1 + SNR)$$

其中，$C$ 表示信道容量，$B$ 表示信道的带宽（单位为赫兹），$SNR$ 表示信噪比。

信噪比 $SNR$ 的计算方式为 $10 * log_{10}(P_s / P_n)$，其中 $P_s$ 是信号的功率，$P_n$ 是噪声的功率。

3. 编码定理：香农定理还指出，存在一种编码方式，使得可以接近信道容量的极限。这意味着通过合适的编码方法，可以在接近理论最大速率的同时保持通信的可靠性。

2 - 编码和调制

编码类型

调制方法

了解如下4中调制方法：

1. ASK (幅度偏移键控 - Amplitude Shift Keying)
2. FSK (频率偏移键控 - Frequency Shift Keying)
3. PSK (相位偏移键控 - Phase Shift Keying)
4. QAM (象限幅度调制 - Quadrature Amplitude Modulation)

3 - 交换方式

交换

1. 电路交换（Circuit Switching）：
   • 电路交换是一种传统的通信方式，最常见的例子是电话网络。
   • 在电路交换中，通信的两端建立一个物理连接，这个连接在通信会话的整个过程中保持打开，即使没有实际数据传输。
   • 通信资源（带宽）在建立连接时分配给通信各方，因此在通话期间一直被占用，即使不说话也占用资源。
   • 电路交换适用于对通信质量要求高、稳定性重要的应用，但效率较低，不适合数据传输等需要灵活带宽分配的应用。
2. 报文交换（Message Switching）：
   • 报文交换是一种通信方式，其中消息以整个报文的形式从源节点传输到目标节点。
   • 在报文交换中，消息从源节点发送到中间节点（交换节点），然后中间节点决定将消息转发到哪个目标节点。
   • 报文交换通常用于电子邮件系统和一些数据通信应用中。
   • 报文交换效率相对较低，因为整个报文必须接收后才能进行处理和转发，而不是逐比特或逐分组进行转发。
3. 分组交换（Packet Switching）：
   • 分组交换是一种现代的通信方式，它将数据分成较小的数据包（分组）并独立传输。
   • 数据包在网络中独立传输，可能通过不同的路径到达目标，然后在目标处重新组装。
   • 分组交换适用于大多数现代数据通信，包括互联网，因为它具有高效的带宽利用率、灵活的路由、容错性和适应性。
   • 常见的分组交换协议包括IP（Internet Protocol）。

数据包和虚电路

数据报和虚电路是两种不同的通信服务模型，适用于不同的通信需求和网络类型。数据报适合于互联网等不保证可靠传输的环境，而虚电路适合于对可靠性要求较高的电路交换和ATM等网络。选择合适的通信模型取决于应用需求和网络设计。

4 - 物理层设备

集线器

定义：集线器（Hub）是一个简单的物理层设备，用于将多台计算机或其他网络设备连接在一起，从而形成一个单一的网络段。

工作方式：当一个设备通过集线器发送数据时，数据会被广播到集线器的所有其他端口。每个连接到集线器的设备都会收到这些数据，但只有目标设备才会处理它。集线器本身不会分析或查看传输的数据。

局限性: 由于集线器将数据广播到所有设备，所以它可能导致网络拥塞。因此，在大型或流量较大的网络中，集线器已经被交换机所取代，交换机能够智能地将数据转发到目标设备。

中继器

定义：中继器是一个物理层设备，用于放大或再生数字信号。

工作方式：在以太网或其他类型的网络中，数据在电缆上只能传输一定的距离，超过这个距离，信号会减弱或退化。中继器放置在这种距离的两端，用于接收退化的信号，放大或再生它，然后将它传输到下一段电缆。

应用：中继器被用于扩展网络的物理范围，超出了单一段电缆或物理媒体的限制。

网络适配器

定义：网络适配器 (Network Adapter)，也称为网络接口卡（NIC）或简称网卡，是一种硬件组件，用于连接计算机或其他设备到一个网络。

工作方式：网络适配器为计算机提供了一个或多个网络连接端口，它将计算机的数字数据转换为可以在物理媒体（例如双绞线、光纤或无线电波）上传输的信号。同样，当信号从网络到达网络适配器时，它会将这些信号转换回计算机可以理解的数字数据。

物理地址：每个网络适配器都有一个唯一的物理地址，称为MAC地址。这个地址在生产时被烧录到设备中，用于在局域网内唯一地识别设备。

电缆

• 双绞线 (Twisted Pair)：双绞线由一对绝缘的铜线组成，两线之间呈螺旋形地绞在一起。
• 光纤 (Fiber Optic)：光纤是由极细的玻璃或塑料纤维制成的，用于传输光信号。
• 同轴电缆 (Coaxial Cable)：同轴电缆由一个中心铜导线、一个绝缘层、一个金属屏蔽和一个外部的塑料或橡胶覆盖层组成。