王道计算机组成原理 物理层整理 超详细版
數(shù)據(jù)通信
通信的目的是傳送信息。
數(shù)據(jù)：傳送信息的實體，通常是有意義的符號序列。
信號：數(shù)據(jù)的電氣/電磁的表現(xiàn)，是數(shù)據(jù)在傳輸過程中的存在形式。
? 數(shù)字信號：代表消息的參數(shù)取值是離散的。
? 模擬信號：代表消息的參數(shù)取值是連續(xù)的。
信源：產(chǎn)生和發(fā)送數(shù)據(jù)的源頭。
信宿：接收數(shù)據(jù)的終點。
信道：信號的傳輸媒介。一般用來表示向某一個方向傳送信息的介質(zhì)。
? 傳輸信號：模擬信道（傳送模擬信號）/ 數(shù)字信道（傳送數(shù)字信號）
? 傳輸介質(zhì)：無線信道 / 有線信道
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交互，僅需要一條信道。
- 半雙工通信：通信的雙方都可以發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，但任何一方都不能同時發(fā)送和接收，需要兩條信道。
- 全雙工通信：通信雙方可以同時發(fā)送和接收信息，需要兩條信道。
兩種傳輸方式
- 串行傳輸：速度慢，費用低，適合遠距離
- 并行傳輸：速度快，費用高，適合近距離
碼元
碼元是一個固定時長的信號波形（數(shù)字脈沖），代表不同離散數(shù)值的基本波形，是數(shù)字通信的計量單位，這個時長內(nèi)的信號稱為k進制碼元，而該時長稱為碼元寬度。當(dāng)碼元的離散狀態(tài)有M個時（M大于2），此時碼元為M進制碼元。
1碼元可以攜帶多個比特的信息量。例如，在使用二進制編碼時，只有兩種不同的碼元，一種代表0狀態(tài)，另一種代表1狀態(tài)。
1、碼元傳輸速率：別名碼元速率、調(diào)制速率、符號速率等，它表示單位時間內(nèi)數(shù)字通信系統(tǒng)所傳輸?shù)拇a元個數(shù)（也可稱為脈沖個數(shù)或信號變化的次數(shù)），單位是波特（Baud）。1波特表示數(shù)字通信系統(tǒng)每秒傳輸一個碼元。碼元速率與進制數(shù)無關(guān)。【1秒傳輸多少個碼元】
2、信息傳輸速率【1秒傳輸多少個比特】
關(guān)系：若一個碼元攜帶n bit的信息量，則M Baud的碼元傳輸速率所對應(yīng)的信息傳輸速率為M x n bit/s。
奈氏準則和香農(nóng)定理
失真
影響失真程度的因素：
1、碼元傳輸速率 2、信號傳輸距離 3、噪聲干擾 4、傳輸媒體質(zhì)量
碼間串?dāng)_（失真的一種現(xiàn)象）
接收端收到的信號波形失去了碼元之間清晰界限的現(xiàn)象。
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?dāng)_，極限碼元傳輸速率為 2W Baud，W 是信道帶寬，單位是 Hz。（只有在這兩個公式中帶寬才用Hz）
1、在任何信道中，碼元傳輸?shù)乃俾适怯猩舷薜?/font>。若傳輸速率超過此上限，就會出現(xiàn)嚴重的碼間串?dāng)_問題，使接收端對碼元的完全正確識別成為不可能。
2、信道的頻帶越寬（即能通過的信號高頻分量越多），就可以用更高的速率進行碼元的有效傳輸。
3、奈氏準則給出了碼元傳輸速率的限制，但并沒有對信息傳輸速率給出限制。
4、由于碼元的傳輸速率受奈氏準則的制約，所以要提高數(shù)據(jù)的傳輸速率，就必須設(shè)法使每個碼元能攜帶更多比特的信息量，這就需要采用多元制的調(diào)制方法。
for example
香農(nóng)定理
噪聲存在于所有的電子設(shè)備和通信信道中。由于噪聲隨機產(chǎn)生，它的瞬時值有時會很大，因此噪聲會使接收端對碼元的判決產(chǎn)生錯誤。但是噪聲的影響是相對的，若信號較強，那么噪聲影響相對較小。因此信噪比就很重要。
信噪比 = 信號的平均功率/噪聲的平均功率，常記為 S/N，并用分貝（dB）作為度量單位，即：
香農(nóng)定理：在帶寬受限且有噪聲的信道中，為了不產(chǎn)生誤差，信息的數(shù)據(jù)傳輸速率有上限值。
1、信道的帶寬或信道的信噪比越大，則信息的極限傳輸速率就越高。
2、對一定的傳輸帶寬和一定的信噪比，信息傳輸速率的上限就確定了。
3、只要信息的傳輸速率低于信道的極限傳輸速率，就一定能夠找到某種方法來是實現(xiàn)無差錯的傳輸。
4、香農(nóng)定理得出的為極限信息傳輸速率，實際信道能達到的傳輸速率要比它低不少。
5、從香農(nóng)定理可以看出，若信道帶寬 W 或信噪比 S/N 沒有上限（不可能），那么信道的極限信息傳輸速率也就沒有上限。
如何區(qū)分，for example
給了信噪比也給了V，那么兩種都要算，取值小的那一個
編碼與調(diào)制
基帶信號：將數(shù)字信號1和0直接用兩種不同的電壓表示，再送到數(shù)字信道上去傳輸（基帶傳輸）。來自信源的信號，如計算機輸出的代表各種文字或圖像文件的數(shù)據(jù)信號都屬于基帶信號。基帶信號就是發(fā)出的直接表達了要傳輸?shù)男畔⒌男盘?/font>。
寬帶信號：將基帶信號進行調(diào)制后形成的頻分復(fù)用模擬信號，再傳送到模擬信道上去傳輸（寬帶傳輸）。把基帶信號經(jīng)過載波調(diào)制后，把信號的頻率范圍搬移到較高的頻段以便在信道中傳輸。
- 在傳輸距離較近時，計算機網(wǎng)絡(luò)采用基帶傳輸方式（近距離衰減小，從而信號內(nèi)容不易發(fā)生變化）。
- 在傳輸距離較遠時，計算機網(wǎng)絡(luò)采用寬帶傳輸方式（遠距離衰減小，即使信號變化大也能最后過濾出來基帶信號）。
數(shù)據(jù) ----------轉(zhuǎn)成---------> 數(shù)字信號 編碼
數(shù)據(jù) ----------轉(zhuǎn)成---------> 模擬信號 調(diào)制
數(shù)字數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號
1、非歸零編碼【NRZ】
高1低0。編碼容易實現(xiàn)，但沒有檢錯功能，且無法判斷一個碼元的開始和結(jié)束，以至于收發(fā)雙方難以保持同步。例如全0或全1，是一條水平線
2、曼徹斯特編碼
將一個碼元分成兩個相等的間隔，前一個間隔為低電平后一個間隔為高電平表示碼元1；碼元0則正好相反。也可以采用相反的規(guī)定。該編碼的特點是在每一個碼元的中間出現(xiàn)電平跳變，位中間的跳變既作時鐘信號（可用于同步），又作數(shù)據(jù)信號，但它所占的頻帶寬度是原始的基帶寬度的兩倍。每一個碼元都被調(diào)成兩個電平，所以數(shù)據(jù)傳輸速率中有調(diào)制速率的1/2。
3、差分曼徹斯特編碼
同1異0。常用于局域網(wǎng)傳輸，其規(guī)則是：若碼元為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相同，若為0，則相反。該編碼的特點是，在每個碼元的中間，都有一次電平的跳轉(zhuǎn)，可以實現(xiàn)自同步，且抗干擾性強于曼徹斯特編碼。
4、歸零編碼【RZ】
信號電平在一個碼元之內(nèi)都要恢復(fù)到零。
5、反向不歸零編碼【NRZI】
信號電平翻轉(zhuǎn)表示0，信號電平不變表示1。
6、4B/5B編碼
數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號
數(shù)字數(shù)據(jù)調(diào)制技術(shù)在發(fā)送端將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，而在接收端將模擬信號還原為數(shù)字信號，分別對應(yīng)于調(diào)制解調(diào)器的調(diào)制和解調(diào)過程。
調(diào)幅+調(diào)相（QAM）
模擬數(shù)據(jù)編碼為數(shù)字信號
計算機內(nèi)部處理的是二進制數(shù)據(jù)，處理的都是數(shù)字音頻，所以需要將模擬音頻通過采樣、量化轉(zhuǎn)換成有限個數(shù)字表示的離散序列（即實現(xiàn)音頻數(shù)字化）。
最典型的例子就是對音頻信號進行編碼的脈沖調(diào)制（PCM）。
包括三步：抽樣、量化、編碼
1、抽樣：對模擬信號周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。為了使所得的離散信號能無失真地代表被抽樣地模擬數(shù)據(jù)，要使用采樣定期進行采樣。采樣頻率 ≥ 信號最高頻率。
2、量化：把抽樣取得的電平幅值按照一定的分級標度轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的數(shù)字值，并取整數(shù)，這就把連續(xù)的電平幅值轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量。
3、編碼：把量化的結(jié)果轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的二進制編碼。
模擬數(shù)據(jù)調(diào)制為模擬信號
為了實現(xiàn)傳輸?shù)挠行?#xff0c;可能需要較好的頻率。這種調(diào)制方式還可以使用頻分復(fù)用技術(shù)，充分利用帶寬資源。在電話機和本地交換機所傳輸?shù)男盘柺遣捎媚M信號傳輸模擬數(shù)據(jù)的方式；模擬的聲音數(shù)據(jù)是加載到模擬的載波信號中傳播的。
物理層傳輸介質(zhì)
傳輸介質(zhì)也稱傳輸媒體/傳輸媒介，它就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送設(shè)備和接收設(shè)備之間的物理通路。
傳輸媒體并不是物理層。傳輸媒體在物理層的下面，因為物理層是體系結(jié)構(gòu)的第一層，因此有時稱傳輸媒體為0層。在傳輸媒體中傳輸?shù)氖切盘?#xff0c;但傳輸媒體并不知道所傳輸?shù)男盘柎硎裁匆馑肌?/p>
- 導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)：電磁波被導(dǎo)向沿著固體媒介（銅線/光纖）傳播。
- 非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)：自由空間，介質(zhì)可以是空氣、真空、海水等。
雙絞線
雙絞線是古老、又最常用的傳輸介質(zhì)，它由兩根采用一定規(guī)則并排絞合的、相互絕緣的銅導(dǎo)線組成。
絞合可以減少對相鄰導(dǎo)線的電磁干擾。
為了進一步提高抗電磁干擾能力，可在雙絞線的外面加上一個由金屬絲編織成的屏蔽層，這就是屏蔽雙絞線（STP），無屏蔽層的雙絞線就稱為非屏蔽雙絞線（UTP）。
雙絞線價格便宜，是最常用的傳輸介質(zhì)之一，在局域網(wǎng)與傳統(tǒng)電話網(wǎng)中普遍使用。模擬傳輸和數(shù)字傳輸都可以使用雙絞線，其通信距離一般為幾公里到數(shù)十公里。距離太遠時，對于模擬傳輸，要用放大器放大衰減的信號；對于數(shù)字傳輸，要用中繼器將失真的信號整形。
雙同軸電纜
同軸電纜由導(dǎo)體銅質(zhì)芯線、絕緣層、網(wǎng)狀編制屏蔽層和塑料外層構(gòu)成。按特性抗阻數(shù)值的不同，通常將同軸電纜分為兩類：
50 Ω 同軸電纜和 75 Ω 同軸電纜。其中 50 Ω 同軸電纜主要用于傳送基帶數(shù)字信號，又稱為基帶同軸電纜，它在局域網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用；
75 Ω 同軸電纜主要用于傳送寬帶信號，又稱為寬帶同軸電纜，它主要用于有線電視系統(tǒng)。
同軸電纜VS雙絞線
由于外導(dǎo)體屏蔽層的作用，同軸電纜抗干擾特性比雙絞線好，被廣泛用于傳輸較高速率的數(shù)據(jù)，其傳輸距離更遠，但價格較雙絞線貴。
光纖
光纖通信就是利用光導(dǎo)纖維傳遞光脈沖來進行通信。有光脈沖表示1，無光脈沖表示0。而可見光的頻率大約是 10^8MHz，因此光纖通信系統(tǒng)的帶寬遠遠大于目前其他各種傳輸介質(zhì)的帶寬。
光纖在發(fā)送端有光源，可以采用發(fā)光二極管或半導(dǎo)體激光器，它們在電脈沖作用下能產(chǎn)生出光脈沖；在接收端用廣電二極管做成光檢測器，在檢測到光脈沖時可還原出電脈沖。
特點：
1、傳輸損耗小，中繼距離長，對遠距離傳輸特別經(jīng)濟。
2、抗雷電和電磁干擾性能好。
3、無串音干擾，保密性好，也不易被竊聽或截取數(shù)據(jù)。
4、體積小，重量輕。
非導(dǎo)向性傳輸介質(zhì)
物理層設(shè)備
1、中繼器
誕生原因：由于存在損耗，在線路上傳輸?shù)男盘柟β蕰饾u衰減，衰減到一定程度時將造成信號失真，因此會導(dǎo)致接收錯誤。
中繼器的功能：對信號進行再生和還原，對衰減的信號進行放大，保持與原數(shù)據(jù)相同，以增加信號傳輸?shù)木嚯x，延長網(wǎng)絡(luò)的長度。
中繼器的兩端：兩端的網(wǎng)絡(luò)部分是網(wǎng)段，而不是子網(wǎng)，適用于完全相同的兩類網(wǎng)絡(luò)的互連，且兩個網(wǎng)絡(luò)速率要相同。
中繼器只將任何電纜段上的數(shù)據(jù)發(fā)送到另一段電纜上，它僅作用于信號的電氣部分，并不管數(shù)據(jù)中是否有錯誤或不適于網(wǎng)段的數(shù)據(jù)。
兩端可連相同媒體，也可連不同媒體。
中繼器兩端的網(wǎng)段一定要是同一個協(xié)議。
5-4-3規(guī)則：
網(wǎng)絡(luò)標準中都對信號的延遲范圍作了具體的規(guī)定，因而中繼器只能在規(guī)定的范圍內(nèi)進行，否則會網(wǎng)絡(luò)故障。
集線器（多口中繼器）
集線器的功能：對信號進行再生放大轉(zhuǎn)發(fā)，對衰減的信號進行放大，接著轉(zhuǎn)發(fā)到其他所有（除輸入端口外）處于工作狀態(tài)的端口上，以增加信號傳輸?shù)木嚯x，延長網(wǎng)絡(luò)的長度。不具備信號的定向傳送能力，是一個共享式設(shè)備。
創(chuàng)作挑戰(zhàn)賽新人創(chuàng)作獎勵來咯，堅持創(chuàng)作打卡瓜分現(xiàn)金大獎總結(jié)
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