計算機網路讀書筆記——物理層(1)

計算機網路讀書筆記——物理層(1)

物理層的基本概念

物理層考慮的是怎樣才能在連線各種計算機的傳輸媒體上傳輸資料位元流,而不是指具體的傳輸媒體。
用於物理層的協議也常稱為規程(procedure),其實物理層規程就是物理層協議。只是在“協議”這個名詞出現之前人們就先使用了“規程”這一名詞。資料在計算機中多采用並行傳輸的方式,但資料在通訊線路上的傳輸方式一般都是序列傳輸(出於經濟上的考慮),即逐個位元按照時間順序傳輸,因此物理層要完成傳輸的轉換

資料通訊的基本知識

資料通訊系統
如圖,一個資料通訊系統可劃分為三大部分,即源系統(或傳送端、傳送方)、傳輸系統(或傳輸網路)和目的系統(或接收端、接收方)。

源系統包括:

  • 源點:源點裝置產生要傳輸的資料,例如,從PC機的鍵盤輸入漢字,PC機產生輸出的數字位元流。源點又稱信源
  • 傳送器:通常源點生成的數字位元流要通過傳送器編碼後才能夠在傳輸系統中進行傳輸。典型的傳送器就是調製器。現在很多PC機使用內建的調變解調器(包含調製器和解調器),使用者在PC機外面看不見調變解調器。

目的系統包括:

  • 接收器:接收傳輸系統傳過來的訊號,並把它轉換為能夠被目的裝置處理的資訊。典型的接收器就是解調器。它把來自傳輸線路上的模擬訊號進行解調,提取出在傳送端置入的訊息,還原出傳送端產生的數字位元流。
  • 終點:終點裝置從接收器獲取傳送來的數字位元流,然後把資訊輸出(例如:把漢字在PC機螢幕上顯示出來)。終點又稱信宿。

在源系統和目的系統之間的傳輸系統可能是簡單的傳輸線,也可以是連線在源系統和目的系統之間的複雜網路系統。

下面我們介紹一些常用術語

訊息:通訊的目的是傳送訊息,如話音、文字、影象等。
資料:是運送訊息的實體。
訊號:是資料的電磁的表現。(來自信源的訊號通常稱為基帶訊號,即基本頻帶訊號

其中訊號可分為兩大類:

  1. 模擬訊號——代表訊息的引數的取值是連續的。
  2. 數字訊號——代表訊息的引數的取值是離散的。在使用時間域(或簡稱時域)的波形表示數字訊號時,則代表不同離散數值的基本波形稱為碼元。在使用二進位制編碼時,只有兩種不同的碼元,一種代表0狀態而另一種代表1狀態。

有關通道的幾個基本概念:

通道和電路不等同,通道一般是用來表示向某一方向傳送資訊的媒體。因此一條通訊電路往往包含一條傳送通道和一條接收通道。

從通訊的雙方資訊互動的方式來看,可以有以下三種基本方式:

  1. 單工通訊(只能一個方向的通訊而沒有反方向的互動)
  2. 半雙工通訊(通訊雙方均可傳送訊息,但不能同時傳送或接收)
  3. 全雙工通訊(通訊雙方均可同時傳送、接收資訊)。

有時人們也常用“單工”這個名詞表示“雙向交替通訊”。如常說的“單工電臺”並不是只能進行單向通訊。

使用載波把基帶訊號頻率範圍搬移至較高頻段可以解決許多通道不能傳輸低頻分量或直流分量的問題。調製後的訊號稱為帶通調製。
帶通調製方法有:
1. 調幅(載波的振幅隨基帶數字訊號而變化)
2. 調頻(載波的頻率隨基帶數字訊號而變化)
3. 調相(載波的初始相位隨基帶數字訊號而變化)

通道的極限容量

碼元傳輸的速率越高,或訊號傳輸的距離越遠,或噪聲干擾越大,或傳輸媒體質量越差,在接收端的波形的失真就越嚴重。
數字訊號通過實際的通道:(a)有失真但可識別 (b)失真大無法識別

限制碼元字通道的傳輸速率的因素

  1. 通道能夠通過的頻率範圍:在任何通道中,碼元傳輸的速率是有上限的,傳輸速率超過此上限,就會出現嚴重的碼間串擾問題,使接收端對碼元的的識別成為不可能(奈式準則)。
  2. 訊雜比
    噪聲是隨機產生的,它的瞬時值有時很大,會使接收端對碼元的判斷產生錯誤(1判斷為0,0判斷為1)。但噪聲影響是相對的,如果訊號相對較強,那麼噪聲的影響就相對較少。因此訊雜比很重要,所謂訊雜比就是訊號的平均功率和噪聲的平均功率之比,常記為S/N(signal/noise),並用分貝作為度量單位。

    訊雜比(dB)=lg(S/N)

    訊雜比(dB)=lg(S/N)

例如,當S/N=10時,訊雜比為10dB,而當S/N=1000時,訊雜比為30dB。1948年,資訊理論創始人夏農推匯出著名的夏農公式,夏農公式推出:通道的極限資訊傳輸速率C是:

C=Wlog2(1 S/N)

C=Wlog_2(1 S/N)

式中,W為通道頻寬(以Hz為單位);S為通道內所傳訊號的平均功率N為通道內部的高斯噪聲功率。夏農公式表名,通道的頻寬或通道中的訊雜比越大,資訊的極限傳輸速率就越高。