TCP/IP 物理层卷一 -- 基本概念

一、基本概念:

• 物理层：TCP/IP 协议簇的最底层，物理层所需要考虑的是如何在连接计算机的传输媒体上传输数据的比特流，而不是连接计算机的具体物理设备。
• 信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输媒体上的表现形态。可以用“数字”、“模拟”修饰。
• 码元：指用一段固定时间间隔的信号波形表示一个信息量（k进制），则表示该进制下不同信息量的码元的基本波形各不相同。简单理解就是，是一种计量单位，可表示一个信息量数据，可以携带多个比特的信息量。
• 信源：在数据通信中，产生和发送数据的源头。也可以理解为信号产生的源头。
• 信宿： 信号接收的终点。
• 速率：数据的传输率，表示单位时间内传输的数据量。可以用波特率和比特率来表示。波特率指的是码元传输速率，也就是单位时间内数字通信系统所传输的码元个数。而比特率则是表示单位时间内传输的比特数。

• 带宽：原指信号具有的频带宽度，单位是赫兹。但在计算机网络中，指的是单位时间内网络中的某一点到另一点所能通过的“最高数据量” -- 极限比特速率，单位是 b/s。

二、两个重要定理

2.1 奈奎斯特定理（奈氏准则）

　　首先我们给出极限数据传输率的奈氏公式：

 

　　 

　　奈奎斯特定理主要阐述的是，在理想低通信道下，如何计算极限数据传输率。由此可见数据传输率在信道中是有上限的。

　　公式中的 B 表示奈氏带宽，就是理想低通信道下的带宽。奈奎斯特通过推算研究发现，在这种信道下，数据的极限码元传输率有最大值 2B 。 M 则表示码元所能表示的离散值个数。如果M = 4，则一个码元携带 2^{2 =} 4 比特的信息。综上所述，奈氏准则研究的是带宽与极限数据传输率的关系。

　　当然，从奈氏准则中，我们开需要明白三点：

• 奈氏准则给出了提高极限数据传输率的方法：增加信道带宽；码元携带更多比特信息。
• 码元传输的速率是有上限的，如果超过次临界值，可能会带来不好的结果，比如传输的脉冲信号重叠、交叉，出现码间串扰。
• 奈氏准则并没有对一个码元可以携带多少比特信息给出限制。

2.2 香农定理 

  　　What: 什么是香农定理？一句话说明：香农定理给出了在一定带宽和一定信噪比下的极限数据传输率。

  　　下面是香农给出的计算公式：

 

　　#1. 参数详解：

• C 代表极限数据传输率
• B 代表信道的宽带（单位为Baud）
• S/N 代表信噪比(signal-to-noise ratio)（没有单位，如果带单位DB，则利用 SNR = 10log_10^(S/N) dB 计算信噪比）

　　#2. 结论：

1. 信道的宽带或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
2. 对一定信道宽带和信噪比的信道来说，信息传输速率是有上限的。
3. 只要在信息传输速率的极限速率以内，就可以找到某种方法实现无差错的传输。

　　

2.3 奈奎斯特定理与香农定理对比

相同点:

1. 这两个定理都可以用于计算一定条件下的极限数据传输率。
2. 两个定理都反映了一个问题：数据传输率不能无限大。

不同点:

　　奈氏定理只考虑了带宽与极限码元传输速率的关系，也就是说奈奎斯特并未对码元所携带的比特数量做限制。而香农定理不仅考虑了带宽对数据传输率的影响，还考虑了信噪比。因为信噪比与码元对应的二进制数存在着密切的联系的。相较而言，香农定理更加完善。