文章目錄
- 一、物理層基本概念
- 二、資料通信
- 2.1、三種通信方式
- 2.2、串行傳輸&并行傳輸
- 2.3、同步傳輸&異步傳輸
- 2.4、碼元
- 2.5、數字通信系統資料傳輸速率的兩種表示方法
- 2.5.1、碼元傳輸速率
- 2.5.2、資訊傳輸速率
- 2.5.3、聯系及習題
- 2.6、帶寬
- 2.7、失真與碼間串擾
- 2.7.1、失真
- 2.7.2、碼間串擾
- 三、奈氏準則與香農定理
- 3.1、奈氏準則
- 3.2、香農定理
- 3.3、奈氏與香農的關聯
- 四、基帶信號&寬帶信號
- 五、資料交換方式
- 5.1、為什么需要資料交換
- 5.2、電路交換
- 5.3、報文交換
- 5.4、分組交換
- 5.4.1、資料報方式
- 5.4.2、虛電路方式
- 5.4.3、資料報&虛電路
- 5.5、資料交換方式的選擇
一、物理層基本概念
物理層解決如何在連接各種計算機的傳輸媒體上傳輸位元流，而不是指傳輸媒體本身，
主要任務：確定與傳輸媒體介面相關的機械特性、電氣特性、功能特性與規程特性，
二、資料通信
2.1、三種通信方式
- 單工通信：只有一個方向的通信而沒有反方向的互動，僅需要一條信道，如廣播等，
- 半雙工/雙向交替通訊：通信雙方都可以發送或接收訊息，但同一時刻只有有一方進行發送（接收），需要兩條信道，如對講機等，
- 全雙工/雙向同時通訊：通信雙方可以同時發送和接收訊息，需要兩條信道，如打電話等，
2.2、串行傳輸&并行傳輸
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串行傳輸：將表示一個字符的8位二進制數按由低位到高位的順序依次發送，只需要一條信道，速度慢，費用低，適合遠距離，
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并行傳輸：將表示一個字符的8位二進制同時通過8條信道發送，速度快，費用高，適合近距離，
2.3、同步傳輸&異步傳輸
- 同步傳輸：在同步傳輸模式下，資料的傳送是以一個資料區塊為單位的，因此同步傳輸又稱區塊傳輸，在傳送資料時，需要先送出1個或多個同步字符，再送出整批的資料，
- 異步傳輸：異步傳輸將位元分成小組進行傳送，小組可以是8位的1個字符或更長，發送方可以在任意時刻發送這些位元組，而接收方不知道它們什么時候會到達，發送方發送資料時，在位元組的前后分別加一個字符的起始位和一個字符的終止位，
2.4、碼元
- 碼元：指一個固定時長的信號波形(數字脈沖)，代表不同離散數值的基本波形，是數字通信中數字信號的計量單位，這個時長內的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度，當碼元的離散狀態有M個時，稱為M進制碼元，一個碼元可以攜帶多個位元的資訊量，一個k進制碼元可以攜帶logk個位元資訊，
4進制碼元 -> 碼元的離散狀態有4個 -> 有4種高低不同的信號波形 -> 00 01 10 11
8進制碼元 -> 碼元的離散狀態有8個 -> 有8種高低不同的信號波形 -> 000 001 010 100 011 101 110 111
2.5、數字通信系統資料傳輸速率的兩種表示方法
速率也叫資料率，是指資料的傳輸速率，表示單位時間內傳輸的資料量，可以用碼元傳輸速率和資訊傳輸速率表示，
2.5.1、碼元傳輸速率
- 碼元傳輸速率：別名碼元速率、波形速率、調制速率、符號速率等，表示單位時間內數字通信系統所傳輸的碼元個數（或脈沖個數或信號變化次數）
- 單位：波特（Baud），簡寫為B（存盤容量單位位元組Byte的簡寫也為B，要根據語境區分）
2.5.2、資訊傳輸速率
- 資訊傳輸速率：別名資訊速率、位元率等，表示單位時間內數字通信系統所傳輸的二進制碼元個數（即位元數）
- 單位：位元/秒 （b/s）
2.5.3、聯系及習題
若一個碼元攜帶n位元的資訊量，則M波特的碼元傳輸速率所對應的資訊傳輸速率為(M×n)bit/s
四進制碼元通信系統：
碼元傳輸速率：8000 / 4 = 2000 B
資訊傳輸速率：2000 * log4 = 4000 b/s
十六進制碼元通信系統：
碼元傳輸速率：7200 / 6 = 1200 B
資訊傳輸速率：1200 * log16 = 4800 b/s
通過比較資訊傳輸速率，顯然，十六進制碼元通信系統的速率更塊，
2.6、帶寬
2.7、失真與碼間串擾
2.7.1、失真
影響失真程度的因素：
- 碼元傳輸速率：速率越大，失真程度越大
- 信號傳輸速率：速率越大，失真程度越大
- 噪聲干擾：噪聲干擾越大，失真程度越大
- 傳輸媒介質量：傳輸媒介質量越差，失真程度越大
2.7.2、碼間串擾
失真的一種現象，接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限一種現象
三、奈氏準則與香農定理
3.1、奈氏準則
- 奈氏準則：在理想低通（無噪聲、帶寬受限）條件下，為了避免碼間串擾，極限碼元傳輸速率為2W Baud，W代表信道帶寬，單位是Hz
- 在任何信道中，碼元傳輸速率是有上限的，若傳輸速率超過上限，就會出現嚴重的碼間串擾問題，使得接收端對碼元的完全正確識別成為不可能
- 奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對資訊傳輸速率給出限制
- 理想低通信道的極限傳輸速率 = 2WlogV (b/s)，W為信道帶寬(Hz)，V表示有幾種碼元
信號變化的種數：4 × 4 = 16
最大傳輸速率 = 2 * 3000 * log16 = 24000 (b/s)
3.2、香農定理
- 信噪比 = 信號的平均功率/噪聲平均功率，常記為S/N，單位為分貝dB
- 香農定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不產生誤差，資訊的資料傳輸速率是有上限值的，
- 信道極限傳輸速率 = Wlog(1+S/N) (b/s)，W為信道帶寬(Hz)，S/N為信噪比
- 代入公式中的信噪比是沒有單位的，如果題目中個出的信噪比的單位是dB，那么要進行轉換
信噪比：
30dB = 10log10(S/N)
3 = log(10)(S/N)
S/N = 10^3 = 1000
信道極限傳輸速率 = 3000 * log(1+1000) ≈ 30000 (b/s)
3.3、奈氏與香農的關聯
四、基帶信號&寬帶信號
五、資料交換方式
5.1、為什么需要資料交換
5.2、電路交換
電路交換原理：在資料傳輸期間，源節點與目的結點之間有一條由中間結點構成的專用物理連接路線，在資料傳輸結束之前，這條線路一直保持，
電路交換的階段：建立連接 -> 通訊（資料交換）-> 釋放連接（拆除電路）
特點：獨占資源，用戶始終占用端到端的固定傳輸帶寬，適用于遠程批處理資訊傳輸或系統間實時性要求較高的大量資料傳輸的情況，
5.3、報文交換
報文：網路中交換與傳輸的資料單元，即站點一次性要發生的資料塊，報文包含了將要發送的完整的資料資訊，其長度很不一致，長度不限且可變，
報文交換原理：無需在兩個站點之間建立一條專用通路，其資料傳輸的單位是報文，傳送程序采用存盤轉發方式，
5.4、分組交換
分組：大多數計算機網路都不能連續地傳送任意長的資料，所以實際上網路系統把資料分成小塊，然后逐塊地發送，這種小塊就稱作分組，
分組交換的原理：分組交換與報文交換的作業方式基本相同，都采用存盤轉發方式，主要差別在于，分組交換要限制所傳輸的資料單位的長度，一般選128B，發送節點首先對從終端設備送來的資料報文進行接收、存盤，而后將報文劃分成一定長度的分組，并以分組為單位進行傳輸和交換，接收節點將收到的分組組裝成資訊或報文，
5.4.1、資料報方式
5.4.2、虛電路方式
5.4.3、資料報&虛電路
5.5、資料交換方式的選擇
- 傳送資料量大，且傳送時間遠大于呼叫時，選擇電路交換，電路交換的傳輸時延最小
- 當端到端的通路有很多段的鏈路組成時，采用分組交換
- 從信道利用率上看，報文交換和分組交換優于電路交換，其中分組交換比報文交換時延小，尤其適用于計算機之間的突發式的資料通信
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