文章目录

1. 物理层概述物理层接口特性2. 数据通信基础常见术语基础概念3. 奈氏准则和香农定理奈氏准则（限制码元传输速率）香农定理（限制数据传输速率）

1. 物理层概述

物理层的功能：

解决如何在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。

物理层主要任务：

确定与传输媒体接口有关的一些特性

物理层接口特性

机械特性：定义物理连接的特性，规定物理连接时所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数量和排列情况。电器特性：规定传输二进制位时，线路上信号的电压范围、阻抗匹配、传输速率和距离限制等。功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号线的用途。规程特性（过程特性）：定义各条物理线路的工作规程和时序关系。

2. 数据通信基础

数据data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。信号：数据的电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。（数字信号/模拟信号）信源：发送数据的源头信宿：接受数据的终点信道：信号的传输媒介，一般用来表示向某一个方向传送信息的介质。（一条通信线路包含一条发射信道，一条接受信道）

涉及数据通信需要考虑三个方面：

数据通信方式数据传输方式同步传输/异步传输

三种通信方式：

单工通信：只有一个方向信道，没有反方向交互半双工：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。全双工：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。

两种数据传输方式：

串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。

串行传输费用低，适合远距离传输，但是速度慢。

并行传输速度快，但是费用高。适合近距离

同步传输/异步传输：

同步传输：

数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出1个或多个同步字符，再送出整批的数据。

这些同步字符目的是协调发送端和接受端的数据发送和接受时钟，使其达到同步的目的

异步传输：

将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的1个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

常见术语基础概念

码元：

是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲），代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，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。

当码元的离散状态有M个时(M大于2),此时码元为M进制码元。

一个码元可以携带多个比特信息。

eg：4进制码元可以携带2个比特的信息，16进制码元可以携带4个比特的信息。

数据通信系统中数据传输的两种表示方法：

速率也叫数据率，是指数据的传输速率，表示单位时间内传输的数据量。可以用码元传输速率和信息传输速率表示。

码元传输速率：（码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等）：表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数（也可称为脉冲个数或信号变化的次数（低电平到低电平虽然图像没有发生变化，但也计入变化中）)，单位是波特(Baud/B）)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。

设码元长度为T，码元速率=1/T(B)

信息传输速率（信息速率、比特率等）：表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（即比特数)，单位是比特/秒(b/s）。

二进制码元，一个码元携带一比特的数据

若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n bit/s

带宽：

表示在单位时间内从网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据率”/单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(b/s)。

带宽越高，携带数据的能力越强。

3. 奈氏准则和香农定理

奈氏准则（限制码元传输速率）

失真：

传输方将信号传输给接受端，接收端因为在传输过程中信道带宽影响等信号发生变化，称为失真。

影响失真率的因素：

1.码元传输速率 2. 信号传输距离 3.噪声干扰（负相关）

4.传输媒体质量（正相关）

码间串扰：

信道带宽：信道可以通过的最高频率-最低频率

码间串扰：接收端收到的信号因为频率太高（码元传输速率太大），波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则：在理想低通（无噪声，信道带宽受限）条件下，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W Baud，（W是信道带宽,单位是HZ）。

理想的极限数据传输速率：2W×一个码元携带的信息数（logV（V进制码元））

总结：根据奈氏准则可知

在任何信道中，码元传输的速率是有上限的。若传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题信道的频带越宽（即能通过的信号高频分量越多)，就可以用更高的速率进行码元的有效传输。奈氏准则给出了码元传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制。由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以要提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元能携带更多个比特的信息量,这就需要采用多元制的调制方法。

香农定理（限制数据传输速率）

噪声：

噪声存在于所有的电子设备和通信信道中。由于噪声随机产生，它的瞬时值有时会很大，因此噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号较强，那么噪声影响相对较小。因此，信噪比就很重要。

信噪比：

信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率，常记为S/N，并用分贝（dB）作为度量单位

香农定理：在带宽受限且有噪声的信道中，为了不产生误差，信息的数据传输速率有上限值。单位(b/s) W是带宽，单位是HZ

根据香农定理可知：

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。只要信息的传输速率低于信道的极限传输速率，就一定能找到某种方法来实现无差错的传输。香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低

奈氏准则和香农定理都会有极限数据传输速率，在实际情况下取最小值

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