Physical Layer
如何传输 bit stream；确定接口特性
- 机械：接口形状……
- 电气：电压范围、传输速率、距离限制……
- 功能：电平的意义；信号线的用途
- 规程：各物理线路的规程与时序关系
1. 通信方式
- 单工：只有一个方向的通信
- 半双工：可以双向通信，但是不能同时，只能交替
- 全双工：同时发送和接收
2. 波特率 Baud
每秒钟传送的码元符号的个数。
波特率 → 信息传输速率：乘上 \(\log_2 V\)。
e.g. 求 10M Ethernet 的波特率：
IEEE 802.3 采用 Manchester 编码，频宽是基带频宽的 2 倍，离散电平数目为 2 。因此波特率为 20M Baud 。
3. 失真与传输上限
-
频率太低，衰减太快，不能通过
-
频率太高，码元之间界限模糊不清，不能通过（码间串扰）
3.1 奈魁斯特定理
在理想低通（无噪声、信道带宽（最高频-最低频）受限）条件下，极限码元传输速率为：2W Baud，W（Hz）为信道带宽。
从中可以推导出极限数据传输速率：\(2W \log_2 V\) (bit/s) 。（V为离散电平的数目）
- 为了避免码间串扰，需要限制「码元传输速率」。
- 频带越宽，就能以更高的波特率传输。
- 奈氏准则仅仅给出了码元传输速率的限制，没有限制信息传输速率！
- 想提高数据传输速率，需要用多元制调制。
3.2 香农定理
根据信息论有，信道的极限数据传输速率为：\(W \log_2 (1 + {S \over N})\) （b/s）。
- 有噪声！信噪比：信号功率S / 噪声功率 N （分贝：\(10\log_{10} ?\)）。
- 此上限难以达到。
ATTENTION 如果同时给了信噪比和电平级数
要在奈氏定理和香农定理中选取最小值作为上限。
3.2.1 信息量
- 一条消息包含信息的多少成为信息量
- 信息量的计算：\(I= - \log_a p\)。
- a为进制，p为该信息表示的事件发生的概率
4. 编码技术
4.1 非归零编码 NRZ
缺点：
- 难以分辨码元的开始和结束
- 必须有额外的时钟同步
- 0、1连续出现，直流分量累加？
4.2 曼彻斯特编码 Manchester
正跳变0，负跳变1；在码元中间跳变
- 可以自同步！每个码元中间的跳变既是数据又是时钟
- 频带宽度是原始的基带宽度的 2 倍 → 数据传输速率减半
4.3 差分曼彻斯特编码 Differential Manchester
- 时钟、数据分开！便于提取。
- 每个码元开始时：有跳变为0，无跳变为1
- 码元中间有正/负跳变，表示时钟
- 抗干扰能力 > Manchester
4.4 4B/5B 编码
- 用 5bits 表示 4bits （做一个映射）
- 多余的用作控制码（或者闲置）
5. 传输介质
5.1 导向性传输介质
5.1.1 双绞线
双绞的目的是让电磁波相互抵消
- 便宜
5.1.2 同轴电缆
- 比双绞线贵
- 更抗干扰，更稳定
- 传输距离更远
- 容量大
- 寿命长
5.1.3 光纤
多模光纤：直径较大； 全反射；射入多条光线；容易失真，近距离
单模光纤：直径小；横向直接传输；衰减小，远距离
5.2 非导向性传输介质
无线电波：所有方向；穿透能力较强；远距离；手机通信
微波：固定方向；频率高，频段范围宽，数据率很高；卫星通信
红外线、激光：转换格式；固定方向；
6. 设备
6.1 中继器
对信号进行再生和还原；解决衰减问题。
两端是网段而不是子网？
两端为同一个协议；不会存储转发
6.2 集线器（多口中继器）
共享式设备，没有定向传送能力 → 可能冲突，不能分割冲突域
7. 复用
Last update:
June 14, 2021
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