一周内学完计算机网络课程之二：计算机网络物理层的理解

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物理层详解

需要理解的几个概念：

• 曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码

• 码元：构成信号的基本单元

• 调制：

  • 通信中的调制是一种将原始信号（如音频、视频、数据等）转换为适合在信道中传输的信号形式的过程。
  • 可以将其理解为一种 “打包” 或 “伪装” 的技术，目的是让信号能更好地在各种通信介质中传输，并提高传输的效率和质量。
  • 调制过程主要是通过改变载波信号的某个或多个参数（如幅度、频率、相位）来携带原始信号的信息。幅度调制AM、频率调制FM、相位调制PM。但是这种基本的调制方法，每一个码元都只能包含一个比特，如果要包含多个比特，就需要用到混合调制方法。

  

• 混合调制：混合调制的核心原理是将两种或多种不同的调制方式结合起来，结合各自优势。

  • 幅度+相位：正交幅度调制QAM，同时改变载波的幅度和相位，将多个比特映射在一个信号点。什么是QAM？QAM是如何工作的？ - 华为
    

  • 通俗理解就是，用一个码元，代表 4位比特的信号。

• 码元传输速率：也叫波特率，码元传输速率指的是单位时间内传输的码元个数，单位是波特（Baud）。数据传输速率是比特每秒（bps）。

  • 码元传输速率和数据传输速率的关系为：

  • 因此，要提高数据传输的速率，就要采用多元制，也就是一个码元对应n个比特。

• 奈式准则：在理想低通（带宽受限、无噪声、滚降系数为 0）的信道中，为了避免码间串扰，码元的传输速率有一个上限值。码间串扰是指由于信号在信道中传输时，不同码元的波形相互重叠，导致接收端难以准确判断每个码元的取值。

  • 公式：理想低通信道的最高码元传输速率为 2W 波特，其中 W 是信道带宽，单位为赫兹（Hz）。如果用 R**B 表示码元传输速率，那么 R**B=2W。例如，对于一个带宽为 3000Hz 的理想低通信道，根据奈氏准则，其最高码元传输速率为 2×3000=6000 波特。
  • 这里的最高码元速率实际上是完全理想情况给出。

• 香农公式：

  • 信道容量（*C*）：指信道能够无差错传输的最大数据速率，它是衡量信道传输能力的一个重要指标。信道容量越大，意味着信道能够传输的数据量就越多，传输速度也就越快。
  • 信道带宽（B）：是指信道能够通过的信号频率范围，类似于一条道路的宽度。带宽越宽，信道能够传输的信号频率成分就越多，也就有更多的 “空间” 来传输数据，所以信道容量会随着带宽的增加而增加。
  • 信噪比($\frac{S}{N}$)：反映了信号强度与噪声强度的相对大小。信噪比越高，说明信号在传输过程中受到的干扰越小，信号的质量越好，信道能够传输的数据速率也就越高。当信噪比趋近于无穷大时，信道容量趋近于$(B{\log }_2(\infty ))$，即信道容量仅受带宽限制；当信噪比为0时，即信号完全被噪声淹没，信道容量为0，此时无法传输任何有效信息。
  • 理论极限：香农公式给出了在给定信道带宽和信噪比的情况下，信道容量的理论上限。这为通信系统的设计提供了一个重要的参考依据，无论采用何种先进的编码和调制技术，都无法突破香农公式所规定的信道容量极限。