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物理层数据通信模型码元、速率、带宽奈氏准则香农定理

物理层

物理层基本概念：

物理层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（定义标准）

1、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

2、电气特性        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

3、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。 4、规格特性        （过程特性）定义各条物理线路的工作规程和时序关系

数据通信模型

典型的数据通信模型

数据通信相关术语

通信的目的是传送消息 数据：传送信息的实体，通常是有意义的符合序列信号：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：代表消息的参数取值是离散的 模拟信号：代表消息的参数取值是连续的 信源：产生和发送数据的源头。信宿：接收数据的终点。信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

三种通道方式

从通信双方信息的交互方式看，可以有三种基本方式：

单工通信 ：只有一个方向的通信而没有反方向的交互，仅需要 一条信道半双工通信 ：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 ：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 ： 速度慢，费用低，适合远距离并行传输 ： 速度快，费用高，适合近距离（用于计算机内部数据传输）

码元、速率、带宽

码元

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。1码元可以携带多个比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元，一种代表0状态，另一种代表1状态。

速率

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：别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，它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），单位是波特（Baud）。 1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。这里的码元可以是多进制的，也可以是二进制的，但码元速率与进制数无关。（1Baud = 1码元/s）

码元信息传输速率：别名信息速率、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）

带宽

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”，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是b/s

奈氏准则

失真 影响失真程度的因素:

码元传输速率信号传输距离噪声干扰传输媒体质量

码间串扰

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象。

奈氏准则（奈奎斯特定理）

奈氏准则：在理想低通（无噪音、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。（只有在奈氏准则和香农定理公式中带宽才用Hz）

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，使接收端对码元的完全正确识别成为不可能。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

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。但是噪声的影响是频带越宽相对的，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，即：频带越宽信噪比（dB）= 10log10（S/N） 数值等价香农定理：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。

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不少。从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（不可能），那么信道的极限信息传输速率也就没有上限。

参考资料：https://www.bilibili.com/video/BV19E411D78Q