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物理层知识要点

news 来源：原创 2025/5/22 1:43:18

文章目录

    • 物理层接口的四大特性
    • 通信基础
    • 编码和调制
      • （1）数字数据编码为数字信号
      • （2）模拟数据编码为数字信号
      • （3）常见调制方式
      • （3）信道的极限容量
    • 多路复用技术
    • 数据传输方式
    • 物理层下的传输介质
    • 物理层设备
  • 本章小结及问题

为了实现两台主机可以传输比特流，需要考虑以下问题

  1. 两台计算机连接，采用怎样的传输介质？(例如，铜线、光纤等)
  2. 如何用电磁等信号表示“1”或“0”，即如何编码？
  3. 用什么拓扑结构将设备连接成网络？(例如，总线型，星型，网状型等)
  4. 考虑是串型传输还是并型传输，以及两台设备之间的传输方向等
  5. 采用怎样的物理接口进行连接？

物理层接口的四大特性

  • 机械特性（规定连接的形状、尺寸、引脚等物理形态）、
  • 电气特性（涉及信号电压、阻抗匹配、传输速率和距离等）、
  • 功能特性（明确各信号线的功能）、
  • 过程特性（规定数据交换的控制步骤和通信规则）。

通信基础

通信的目的是传送消息，一个完整的完整的通信系统包括，

  • 信源：发送数据的源头
  • 信道：信号的传输介质
  • 信宿 ：接收数据的终点

编码和调制

数据是运送消息的实体，而信号则是数据的电气或电磁表现，根据信号的分类可分为两大类

  • 模拟信号(频率、声波)---------连续的信号
  • 数字信号(0或1)---------离散的信号

信道是信号传输的通道，通常一条通信线路往往包含一条发送信道和接收信道。若要在信道上传输数据，就必须要把数据转变成能够在传输媒体上进行传送的信号。

  • 将数字数据转换成数字信号称为编码
  • 将数字数据转换成模拟信号称为调制

（1）数字数据编码为数字信号

请添加图片描述
1.归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0
2.不归零制：正电平代表1，负电平代表0
3.曼彻施特编码：电位由高到底代表1，电位由低到高代表0
4.差分曼彻斯特编码：比特流之间电位无变化代表1，有变化代表0。

（2）模拟数据编码为数字信号

我们经常接触的噪声和图像信号都是模拟信号，要将模拟信号编码为数字信号，必须经过采样、量化与编码

（3）常见调制方式

由计算机或终端等数字设备产生的、未经调制的数字数据相对应的电脉冲信号通常呈矩形波形式，这种电脉冲信号被称为基带信号(基本频带信号)，在信道上传输基带信号的方法称为基带传输，
基带信号往往包含较多的低频成分，甚至直流成分。而许多模拟信号仅能通过某一频率范围的信号，不能直接传输这种基带信号，因此必须对基带信号进行调制，使它能够在模拟信道中传输。在很多情况下需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段一边其在信道中传输，这种传输叫做频带传输。经过载波调制后的信号称为频带信号或带通信号，而使用载波的调制称为带通调制

最基本的带通调制方式有3种：
请添加图片描述

  1. 调幅：通过改变信号的幅度来传输信息。
  2. 调频：通过改变信号的频率来传输信息。
  3. 调相：通过改变信号的相位来传输信息。

（3）信道的极限容量

任何实际的信道都是不理想的，信号在信道传输时回不可避免地产生失真
奈奎斯特定理规定：在理想低通(没有噪声、带宽有限)信道中…

多路复用技术

当网络中传输媒体的传输容量大于多条单一信道的总容量时，可利用复用技术在一条五日现如善建立多条信道来充分利用传输媒体的带宽，就像一条高速公路上划分出多个车道同时供不同车辆行驶一样。请添加图片描述

  1. 频分复用
  • 把传输线路的频率范围分成几个部分，每部分传一个信号，就像把一条路分成几个车道跑车。
  1. 时分复用
  • 把时间分成小份，不同信号在不同时间小块里用线路，像大家轮流用一个东西。
  1. 波分复用
  • 在光纤里，不同颜色光（波长）同时传信息，如同彩虹颜色一起在通道里走。
  1. 码分复用
  • 每个信号有自己的密码，同时传也能靠密码区分，类似用密码分辨不同的人说话。

数据传输方式

数字传输有各种不同地传输方式，例如

  1. 并行传输和串行传输：
    • 并行传输是数据的各位同时在多条信道上传输
    • 串行传输是数据按顺序在一条信道上传输
  2. 异步传输和同步传输：
    • 异步传输是字节为单位独立传输，字节间异步，有起始和停止位用于同步；
    • 同步传输是以数据块为单位传输，字节间同步，通过同步字节等方式保持发送和接收端的同步。
  3. 单向通信、半双工通信和全双工通信：
    • 单向通信是信号只能在一个方向传输；
    • 半双工通信是信号可以双向传输，但不能同时进行；
    • 全双工通信是信号能同时双向传输。

物理层下的传输介质

1.双绞线：

  • 双绞线，局域网和传统电话网主要使用双绞线作为传输媒体。其通信距离一般为几千米到十几千米。距离太远时，对于模拟传输，要用放大器，放大衰减信号；对于数字传输，要用中继器来对失真的信号进行整形。

2.同轴电缆

  • 主要用于传输基带数字信号，在早期局域网中应用广泛，但是现在，大部分同轴电缆已经被带宽更高的光纤所取代

3.光纤

  • 光纤通信是一种以光波作为信息载体，利用光的全反射原理来传输信息的通信方式。在发送端，将电信号转换为光信号，然后光信号通过光纤进行长距离传输，在接收端再把光信号还原为电信号，从而实现信息的传递，有光脉冲1，没有光脉冲0.

物理层设备

1.中继器

  • 主要对衰减数字信号进行整形再生，就是将传输后衰减、变形的信号恢复成原始标准形态，并重新生成强度足够的信号来代替原有弱信号，以继续延长信号传输距离。

2.放大器

  • 放大器主要用于增强信号的功率，它可以对模拟信号进行放大，放大衰减信号

3.集线器

  • 一个多端口的中继器，他在网络中起到信号放大和转发作用，目的是扩大网络的传输范围，而不具备信号定向传输能力

本章小结及问题

  1. 物理层要解决哪些问题？
  2. 数据通信系统模型有哪些构件？
  3. 物理层规定了传输设备与传输媒体之间接口的哪些特性？个包含哪些内容？
  4. 为什么使用多路复用信道技术？常用的信道复用技术有哪些？

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