文章目錄
- 一、四種特性
- 二、碼元傳輸速率與資訊傳輸速率 ★
- 三、通信方式 與 資料傳輸方式
- 四、信号類型
- 五、編碼 與 調制
- 六、奈氏準則 ★★
- 七、香農定理 ★★
- 八、奈氏準則 與 香農定理 ★★
- 九、傳輸媒體
- 十、實體層裝置
一、四種特性
機械特性 : 定義實體連接配接特性 , 包括 采用的規格 , 接口形狀 , 引線數目 , 排列情況 , 引腳數量 ;
- 引腳排列示例 : 水晶頭的引腳排列情況 , 插座的間距規格等 ;
電氣特性 : 傳輸二進制時 , 傳輸信号的 電壓範圍 , 阻抗比對 , 傳輸速率 , 距離限制 ;
- 電壓範圍示例 : 規定信号電平 +10V ~ +15V 表示二進制資料 0 , 信号電平 -10V ~ -15V 表示二進制資料 1 ;
- 電纜長度示例 : 路由器 到 主機間的電纜長度必須在 20 米以内 ;
功能特性 : 描述 電平 的意義 , 接口部件 信号線用途 ;
- 電平意義 示例 : 描述當一個接口的引腳處于高電平的含義 ;
- 注意與 電氣特性 區分 : 電氣特性是描述 根據 電壓 得到 電平 , 功能特性是指 電平的意義 ;
規程特性 : 又稱為 過程特性 , 規定 各個 實體線路 工作 規程 , 時序關系 ;
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 基本概念 ( 概述 | 概念 | 機械特性 | 電氣特性 | 功能特性 | 規程特性 )
二、碼元傳輸速率與資訊傳輸速率 ★
1 . 碼元傳輸速率 :
1
1
1 秒傳輸多少個碼元
- 别名 : 碼元速率 , 波形速率 , 調制速率 , 符号速率 ;
- 概念 : 機關時間 内 , 數字通信系統 傳輸的 碼元個數 , 機關是 波特 ( Baud ) ;
"波特" 是速度機關 ,
1
1
1 波特 就是
1
1
1 碼元 / 秒 ;
"波特" 簡介 :
1
1
1 波特 , 表示 數字通信系統
1
1
1 秒中 傳輸
1
1
1 個碼元 ;
- 碼元個數說明 : 又稱為 脈沖個數 或 信号變化次數 ;
- 碼元資訊量說明 : 碼元可以是多進制的 , 也可以是二進制的 , 計算機網絡中指的是二進制的碼元 ;
-
碼元資訊量示例 :
1
1
1 波特下 , 二進制碼元每秒傳輸 1 比特資料 ,
4
4
4 進制碼元 每秒 傳輸 2 比特資料 ;
"碼元傳輸速率" 與 “資料傳輸速率” 無關 ;
2 . 資訊傳輸速率 :
1
1
1 秒傳輸多少個比特
- 别名 : 資訊速率 , 比特率 ;
- 概念 : 機關時間内 , 數字通信系統 , 傳輸的 二進制碼元個數 ;
-
二進制碼元 : 其 資訊量 就是
1
1
1 比特 ;
- 機關 : 比特/秒 ( bit/s ) ;
"碼元傳輸速率" 與 “資訊傳輸速率” 關系 :
-
碼元資訊量 :
1
1
1 碼元 攜帶
n
n
n 比特 資訊量 ;
-
換算關系 :
M
M
M 波特 的 “碼元傳輸速率” 對應
M
×
n
M \times n
M×n 比特/秒 的 “資訊傳輸速率” ;
3 . 碼元傳輸速率 資訊傳輸速率 計算 :
數字通信系統
1
1
1 :
-
4
4
4 進制碼元 :
1
1
1 個碼元 有
2
2
2 比特 資訊量 ;
-
4
4
4 秒傳輸
8000
8000
8000 個碼元
-
計算 碼元傳輸速率 :
碼
元
傳
輸
速
率
=
8000
4
=
2000
B
a
u
d
碼元傳輸速率 = \cfrac{8000}{4} = 2000 \ Baud
碼元傳輸速率=48000=2000 Baud
-
計算 資訊傳輸速率 :
信
息
傳
輸
速
率
=
2000
×
2
=
4000
b
/
s
資訊傳輸速率 = 2000 \times 2 = 4000 \ b/s
資訊傳輸速率=2000×2=4000 b/s
數字通信系統
2
2
2 :
-
16
16
16 進制碼元 :
1
1
1 個碼元有
4
4
4 比特 資訊量 ;
-
6
6
6 秒傳輸
7200
7200
7200 個碼元
-
計算 碼元傳輸速率 :
碼
元
傳
輸
速
率
=
7200
6
=
1200
B
a
u
d
碼元傳輸速率 = \cfrac{7200}{6} = 1200 \ Baud
碼元傳輸速率=67200=1200 Baud
-
計算 資訊傳輸速率 :
信
息
傳
輸
速
率
=
1200
×
4
=
4800
b
/
s
資訊傳輸速率 = 1200 \times 4 = 4800 \ b/s
資訊傳輸速率=1200×4=4800 b/s
對比上述兩個 數字通信系統 的 系統傳輸速率 : 對比 “資訊傳輸速率” , 第
2
2
2 個數字通信系統 資訊傳輸速率更快一些 ;
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 相關參數 ( 碼元 | 碼元進制 | 速率 | 碼元傳輸速率 | 波特 | 資訊傳輸速率 | 帶寬 | 碼元速率計算示例 )★
三、通信方式 與 資料傳輸方式
1 . 通信方式分類 : 依據 通信雙方 資訊互動方式 , 将 通信方式 分類三類 :
- 單工通信
- 半雙工通信
- 雙工通信
單工通信 : 隻有一個方向的通信 , 隻有一條信道 , 不能反方向通信 ;
半雙工通信 : 通信雙方都可以 發送 和 接收 資訊 , 但是不能同時 發送 和 接收 資訊 , 有 發送 和 接收 兩條信道 ;
全雙工通信 : 通信雙方都可以 同時 發送 和 接收 資訊 , 有 發送 和 接收 兩條信道 ;
2 . 資料傳輸方式 :
① 串行傳輸 :
- 傳輸方式 : 比特流 串行傳輸 , 發送方 同時 發送一個比特 , 接收方 同時 接收一個比特 ;
- 特點 : 速度慢 , 費用低 , 适合遠距離傳輸 ;
- 使用場景 : 網線 ;
② 并行傳輸 :
- 傳輸方式 : 發送方同時發送多個比特 , 接收方同時接收多個 比特 ;
- 特點 : 速度快 , 費用高 , 适合近距離傳輸 ;
- 使用場景 : 計算機内部傳輸 , 如顯示器序列槽線 , 連接配接列印機掃描器的并口 ;
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 資料通信 ( 資料通信模型 | 信源 | 信宿 | 信道 | 通信方式 | 單工 | 半雙工 | 全雙工 | 資料傳輸方式 | 串行 | 并行 )
四、信号類型
1 . 基帶信号 ( 基帶傳輸 ) : 将 數字信号
0 和
1
1
1 使用不同的電壓表示 , 然後再送到 數字信道 上去傳輸 ;
"基帶信号" 來源 : 基帶信号 是 來自 信源 的 信号 , 計算機輸出的 文字 , 圖像 等資料信号都是基帶信号 ;
基帶信号 直接表達要傳輸的資訊的信号 ;
基帶信号 在 數字信道上傳輸 , 稱為 基帶傳輸 ;
2 . 寬帶信号 ( 寬帶傳輸 ) : 将 基帶信号 進行 調制 後 , 形成 頻分複用 模拟信号 , 再送到 模拟信道 上傳輸 ;
載波調制 : 基帶信号 經過 載波調制 後 , 将 信号 頻率範圍 移動到 較高頻段 , 以便于在 信道 中傳輸 ;
寬帶信号 在 模拟信道上傳輸 , 稱為 寬帶傳輸 ;
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 編碼與調制 ( 基帶信号 | 寬帶信号 | 編碼 | 調制 )
五、編碼 與 調制
1 . 編碼 與 調制
編碼 : 将 資料 轉為 數字信号 , 稱為 “編碼” ;
調制 : 将 資料 轉為 模拟信号 , 稱為 “調制” ;
數字資料 編碼 : 使用 數字發送器 編碼為 數字信号 ;
數字資料 調制 : 使用 調制器 調制為 模拟信号 ;
模拟資料 編碼 : 是哦用 PCM 編碼器 編碼為 數字信号 ;
模拟資料 調制 : 使用 放大器調制器 調制為 模拟信号 ; ( 将低頻信号調制成高頻信号 )
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 編碼與調制 ( 基帶信号 | 寬帶信号 | 編碼 | 調制 )
2 . 數字資料編碼為數字信号 :
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 編碼 ( 數字資料 編碼 數字信号 | 非歸零編碼 | 歸零編碼 | 反向不歸零編碼 | 曼徹斯特編碼 | 差分曼徹斯特編碼 | 4B/5B 編碼 )
3 . 模拟資料編碼為數字信号 :
PCM 編碼過程主要有三個步驟 :
① 抽象
② 量化
③ 編碼
采樣定理 : 為了使所有的離散信号 , 能夠 不失真地代表 被抽樣的模拟資料 , 需要使用 采樣定理 :
f
采
樣
頻
率
≥
2
f
信
号
最
高
頻
率
f_{采樣頻率} \geq 2f_{信号最高頻率}
f采樣頻率≥2f信号最高頻率
采樣定理 規定了 采樣頻率 必須 大于等于 信号最高頻率的
2
2
2 倍 ;
一個采樣周期内有兩個值 , 就可以還原正弦波 ;
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 編碼 ( 模拟信号 編碼為 數字信号 | 音頻信号 PCM 編碼 | 抽樣 | 量化 | 編碼 | 采樣定理 )
4 . 數字信号編碼為模拟信号
數字資料調制 技術 :
① 調制 : 發送端 将 數字信号 轉為 模拟信号 ;
② 解調 : 接收端 将 模拟信号 轉為 數字信号 ;
調制 技術 :
- 調幅
- 調頻
- 調相
5 . 數字信号編碼為模拟信号 計算示例
調幅 + 調相 結合在一起使用的調制方法 是 QAM 調制 ;
QAM 調制示例 :
-
信道波特率 :
1200
1200
1200 Baud ;
-
相位個數 :
4
4
4 個
-
振幅個數 :
4
4
4 種
-
計算資訊傳輸速率
?
?
?
計算過程
先計算每個碼元攜帶的資訊量 : 調相 + 調幅 結合使用 ; 有以下兩種了解方式 ;
-
每個碼元有
4
4
4 個相位 , 每個相位可以有
4
4
4 種振幅 , 那麼每個碼元有
4
×
4
=
16
4 \times 4 = 16
4×4=16 種不同的取值 ;
-
每個碼元有
4
4
4 個振幅 , 每個振幅可以有
4
4
4 種相位 , 那麼每個碼元有
4
×
4
=
16
4 \times 4 = 16
4×4=16 種不同的取值 ;
使用奈氏準則計算資訊傳輸速率 :
-
奈氏準則計算公式為 :
理
想
低
通
信
道
信
息
極
限
傳
輸
速
率
=
2
W
l
o
g
2
V
比
特
/
秒
理想低通信道資訊極限傳輸速率 = 2 W log_2V \ 比特/秒
理想低通信道資訊極限傳輸速率=2Wlog2V 比特/秒
-
2
W
2W
2W 是碼元速率 ,
W
W
W 是帶寬 , 其中碼元速率已經給出 , 是 1200 波特 , 直接使用即可 , 這裡計算下每個源碼攜帶的資訊量 , 是
l
o
g
2
16
=
4
log_216 = 4
log216=4 比特 ;
-
計算過程 :
2
W
l
o
g
2
V
=
1200
×
l
o
g
2
16
=
4800
b
/
s
2W log_2V = 1200 \times log_216 = 4800 b/s
2Wlog2V=1200×log216=4800b/s
資訊傳輸速率是
4800
b
/
s
4800 b/s
4800b/s ;
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 調制 ( 數字資料 調制 模拟信号 | 調幅 | 調頻 | 調相 | 調幅 + 調相 QAM | 計算示例 | 模拟信号 調制為 模拟信号 )
六、奈氏準則 ★★
1 . 奈氏準則 用于 限制 碼元傳輸速率 上限 , 機關是 波特 ;
公式如下 :
理
想
低
通
信
道
碼
元
極
限
傳
輸
速
率
=
2
W
波
特
理想低通信道碼元極限傳輸速率 = 2 W \ 波特
理想低通信道碼元極限傳輸速率=2W 波特
資訊傳輸速率 上限計算 , 機關是 比特/秒 ;
公式如下 :
理
想
低
通
信
道
信
息
極
限
傳
輸
速
率
=
2
W
l
o
g
2
V
比
特
/
秒
理想低通信道資訊極限傳輸速率 = 2 W log_2V \ 比特/秒
理想低通信道資訊極限傳輸速率=2Wlog2V 比特/秒
V
V
V 指的是 碼元的離散值個數 ;
W
W
W 指的是 信道帶寬 , 機關 赫茲 (
H
z
Hz
Hz ) ;
2 . “奈氏準則” 計算示例
無噪聲情況下 , 信道帶寬為
3000
H
z
3000 \ Hz
3000 Hz , 采用
4
4
4 個相位 , 每個相位有
4
4
4 種振幅 QAM 調制技術 , 計算 最大資料傳輸率
?
?
?
該調制技術是 調相 和 調幅 結合在一起 , 每個碼元信号有
4
×
4
=
16
4 \times 4 = 16
4×4=16 種變化 ; 也就是每個碼元有
l
o
g
2
16
=
4
log_2{16} = 4
log216=4 比特的資料量
計算過程如下 :
理
想
低
通
信
道
信
息
極
限
傳
輸
速
率
=
2
W
l
o
g
2
V
比
特
/
秒
理想低通信道資訊極限傳輸速率 = 2 W log_2V \ 比特/秒
理想低通信道資訊極限傳輸速率=2Wlog2V 比特/秒
=
2
×
3000
×
l
o
g
2
16
= 2 \times 3000 \times log_216
=2×3000×log216
=
2
×
3000
×
4
=
24000
比
特
/
秒
= 2 \times 3000 \times 4 = 24000 \ 比特/秒
=2×3000×4=24000 比特/秒
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 奈氏準則 ( 失真 | “失真“ 影響因素 | 碼間串擾 | 奈奎斯特定理 | 碼元極限傳輸速率 | 資訊極限傳輸速率 | 奈氏準則計算示例 )★
七、香農定理 ★★
1 . 香農定理公式 :
信
道
極
限
數
據
傳
輸
速
率
=
W
l
o
g
2
(
1
+
S
/
N
)
信道極限資料傳輸速率 = W log_2( 1 + S/N )
信道極限資料傳輸速率=Wlog2(1+S/N)
機關是 比特/秒 ( b/s )
W
W
W 帶寬 , 機關 是 赫茲 ( Hz ) ;
S
/
N
S/N
S/N 是信噪比
S
S
S 是信道内信号的平均功率
N
N
N 是信道内的高斯噪聲功率 ;
信噪比計算 :
-
數值 信噪比 : 如果給出的信噪比是 數值 , 沒有機關可以直接代入 , 代替上述
S
/
N
S/N
S/N ;
-
分貝 信噪比 : 如果給出的信噪比是 dB 值 , 那麼需要 根據
信
噪
比
(
d
B
)
=
10
l
o
g
10
(
S
N
)
信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}(\cfrac{S}{N})
信噪比(dB)=10 log10(NS) 公式 , 計算出
S
/
N
S/N
S/N 的值 ;
2 . 香農定理計算示例
信道帶寬
3000
H
z
3000 Hz
3000Hz , 信噪比
30
d
B
30 dB
30dB , 根據香農定理 計算 資料極限傳輸速率
?
?
?
計算
S
/
N
S/N
S/N :
先根據
信
噪
比
(
d
B
)
=
10
l
o
g
10
(
S
/
N
)
信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}( S/N)
信噪比(dB)=10 log10(S/N) 公式計算出
S
/
N
S/N
S/N 值 ;
信
噪
比
(
d
B
)
=
10
l
o
g
10
(
S
/
N
)
=
30
信噪比 ( dB ) = 10 \ log_{10}( S/N) = 30
信噪比(dB)=10 log10(S/N)=30
信
噪
比
(
d
B
)
=
l
o
g
10
(
S
/
N
)
=
3
信噪比 ( dB ) = log_{10}( S/N) = 3
信噪比(dB)=log10(S/N)=3
S
/
N
=
1
3
=
1000
S/N = 10^{3} = 1000
S/N=103=1000
信道 極限傳輸速率 計算 :
信
道
極
限
數
據
傳
輸
速
率
=
W
l
o
g
2
(
1
+
S
/
N
)
信道極限資料傳輸速率 = W log_2( 1 + S/N )
信道極限資料傳輸速率=Wlog2(1+S/N)
信
道
極
限
數
據
傳
輸
速
率
=
3000
l
o
g
2
(
1
+
1000
)
≈
30000
b
/
s
=
30
k
b
/
s
信道極限資料傳輸速率 = 3000 \ log_2( 1 + 1000 ) \approx 30000 b/s = 30kb/s
信道極限資料傳輸速率=3000 log2(1+1000)≈30000b/s=30kb/s
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 香農定理 ( 噪聲 | 信噪比 | 香農定理 | “香農定理“公式 | “香農定理“ 計算示例 | “奈氏準則“ 與 “香農定理“ 對比 與 計算示例)★
八、奈氏準則 與 香農定理 ★★
1 . “奈氏準則” 核心是針對 内部問題 :
① 使用環境 : 帶寬受限 , 沒有外部的噪聲幹擾 ;
② 針對問題 : 為了避免 碼間串擾 , 将 碼元的傳輸速率 上限設定成 2W 波特 ( Baud ) ;
理想狀态下信道的極限傳輸速率 =
2
W
l
o
g
2
V
2W log_2V
2Wlog2V 比特 / 秒
提高資料傳輸速率 :
- 提高帶寬
- 采用更好的編碼技術 , 使單個碼元攜帶更多資訊量 ;
"香農定理" 核心是針對 外部問題 :
① 使用環境 : 帶寬受限 , 外部有噪聲幹擾 ;
② 針對問題 : 在外部幹擾下 , 為 資訊傳輸速率 設定上限 ;
非理想狀态下信道的極限傳輸速率 =
W
l
o
g
2
(
1
+
S
/
N
)
W log_2( 1 + S/N )
Wlog2(1+S/N) 比特 / 秒 ;
提高資料傳輸速率 :
- 提高帶寬
- 提高信噪比
2 . 計算示例
計算 資訊極限傳輸速率 :
- 如果給了 碼元資訊個數 , 就用奈氏準則計算 ;
- 如果給了 信噪比 , 就用 香農定理公式計算 ;
- 如果 碼元資訊量 和 信噪比都給出來 , 那麼計算兩個 資料傳輸速率 , 取最小值 ;
二進制信号 , 在信噪比
127
:
1
127:1
127:1 的
4000
H
z
4000Hz
4000Hz 的信道上傳輸 , 求 最大資料率
?
?
?
上述給出了 碼元資訊量 , 二進制碼元 , 是以可以使用 奈氏準則 求 資料極限傳輸速率 :
2
W
l
o
g
2
V
=
2
×
4000
×
l
o
g
2
2
=
8000
b
/
s
2W log_2V = 2 \times 4000 \times log_2 2 = 8000 \ b/s
2Wlog2V=2×4000×log22=8000 b/s
上述還給出了 信噪比
127
:
1
127:1
127:1 , 這是一個數值 , 沒有機關 , 是以該值是
S
/
N
S/N
S/N , 可以直接在香農定理中使用 ; 計算過程如下 :
W
l
o
g
2
(
1
+
S
/
N
)
=
4000
×
l
o
g
2
(
1
+
127
/
1
)
=
4000
×
7
=
28000
b
/
s
W log_2( 1 + S/N ) = 4000 \times log_2 ( 1 + 127 / 1 ) = 4000 \times 7 = 28000 \ b/s
Wlog2(1+S/N)=4000×log2(1+127/1)=4000×7=28000 b/s
上述計算的兩個 極限傳輸速率 取最小值 , 即
8000
b
/
s
8000b/s
8000b/s ;
參考部落格 : 【計算機網絡】實體層 : 香農定理 ( 噪聲 | 信噪比 | 香農定理 | “香農定理“公式 | “香農定理“ 計算示例 | “奈氏準則“ 與 “香農定理“ 對比 與 計算示例)★
九、傳輸媒體
十、實體層裝置
![計算機網絡體系結構中的實體層[圖]](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAP///wAAACwAAAAAAQABAAACAkQBADs=)