【计算机网络】2物理层

物理层任务：实现相邻节点之间比特( $0$ 或 $1$ )的传输

1.通信基础

1.1.基本概念

1.1.1.信源，信宿，信道，数据，信号

数据通信系统主要划分为信源、信道、信宿三部分。

信源：产生和发送数据的源头。

信宿：接收数据的终点。

信道：信号的传输介质。

数据和信号都有模拟或数字之分。

数据：传送信息的实体，如文字、图像、视频。

信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。

1.1.2.码元🦊

在通信系统中，常用一个固定时长的信号波形表示一个 $k$ 进制数，这个时长内的信号称为（ $k$ 进制）码元，而该时长称为码元宽度（信号周期）。

用数字信号 $2$ 进制码元传播 $11010001$

在一个“信号周期”内，有可能出现 $2$ 种信号，每种信号对应一个 $2$ 进制数 $\left ( 1bit \right )$ 。

用数字信号 $4$ 进制码元传播 $11010001$

在一个“信号周期”内，有可能出现 $4$ 种信号，每种信号对应一个 $4$ 进制数 $\left ( 2bit \right )$ 。

优点：每个“信号周期”可以传输更多信息。换句话说，每个码元可以携带更多信息。

代价：需要加强信号功率，并且对信道的要求更高。

如果一个码元(即一个信号)可能有 $4$ 种状态，那么可以称其为 $4$ 进制码元(一个码元携带 $2bit$ 数据)。

如果一个码元(即一个信号)可能有 $8$ 种状态，那么可以称其为 $8$ 进制码元(一个码元携带 $3bit$ 数据)。

用模拟信号 $2$ 进制码元传播 $11010001$

用模拟信号 $4$ 进制码元传播 $11010001$

码元和比特的关系

一个码元可以携带多少比特数据?

如果一个“周期”内可能出现 $K$ 种信号，则： $1$ 码元 $=log_2K bit$

1.1.3.速率（波特率，比特率）🦊

波特和比特是两个不同的概念。

但波特和比特在数量上又有一定的关系。

若一个码元携带 $n$ 比特的信息量，则波特率 $M$ $Baud$ 对应的比特率为 $Mn$ $b/s$ 。

速率	速率单位	信号
波特率	码元 $/s$ ，也称为波特 $Baud$	码元
比特率	比特 $/s$	比特

1.1.4.带宽

在模拟信号系统中，带宽（频率带宽）用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹 $\left ( Hz \right )$

在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率，单位是 $b/s$

1.2.信道的极限容量

1.2.1.奈奎斯特定理（奈氏准则）

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，否则在传输中就会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。

奈奎斯特定理：对于一个理想低通信道（没有噪声，带宽有限的信道），为了避免码间串扰，

极限波特率=

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