2.数据通信与物理层

信息，数据，信号

​ 通信的目的是为了交换信息，数据是信息的数字化表现形式，信号是数据的物理传输形式

• 信息：客观世界的信息，比如一座山高8848米
• 数据：信息的数据化形式，信息输入到计算机中就成了存储好的数据
• 信号：数据在计算机之间传输时以信号形式发送

数据通信系统模型

​ 若要传输信号，那么就一定要建立通信系统。基础的通信系统如下所示

• 信源：指信号产生的源头，在这里将各种数据转换成信号，发送给下一级

• 发送器：也叫发送变换器，将信源发出的信息转换成适合在线路上传输的信号

• 传输系统(信道)：即是信道，信道是信号传输的介质，可以是有线信道，也可以是无线信道

• 接收器：接收变换器，接收信道中的信号，将其恢复成信源所发信息一致的格式，发送给下一级

• 信宿：信号的传输目的地

• 噪声：在信道中还可能有其他信号，称为噪声。噪声会对信号的传输和信号的正确性产生干扰

信号与码元

信号

信号分为数字信号和模拟信号

• 模拟信号（宽带传输）：连续变化的值
• 数字信号（基带传输）：仅允许有限的离散值

数字信号不一定是有规律的

​ 信噪比：信号平均功率(S)与噪声平均功率(N)之比

信噪比(dB)= 10log₁₀(S/N)

​ 信噪比越大，噪音相对影响信号能力越小，信号传输效率越高，越稳定

码元

​ 码元是承载信息量的基本单位

​ 1码元是指在单位时间内传输的信号，这个单位时间称作码元宽度或码元周期

• N进制码元：码元内信号有N个取值

码元相当于把信号分成一个一个小段，每一段就是一个码元

• 码元传输速率:1Baud=1码元/s

​ 单位时间传输码元个数，单位是Baud,用R_B表示

​ 码元速率与信号无关，只与码元宽度有关。假设码元宽度为T(T秒为一个码元)，则码元速率=1/T Baud

​

• 信息传输速率：单位时间传输二进制码元的个数，单位bit/s

​ 信息传输速率代表着单位时间内传输的具体信息量,用R_b表示

​ 一个N进制的码元，可以携带log₂N bit的信息，信息速率

R_b=log₂N*R_B

数据通信方式

​ 数据通信方式从不同的角度可以划分为不同的方式

​ 在计算机网络中，通常使用全双工通信，串行传输，异步传输，局域网内一般用基带传输，远距离传输一般用频带传输

按使用信道数量划分

• 串行传输：只有一条信道，速度慢，费用低，衰减大，适合远距离（比如城市之间）
• 并行传输：多条信道，速度快，费用高，衰减小，适合近距离（比如计算机内部）

信道的通信方式

• 单工通信：一条信道，单向传输
• 半双工通信：两条信道，双向传输，但不能同时双向传输
• 双工通信：两条信道，可以同时双向传输

单向一车道，双向一车道，双向二车道

时间同步划分

• 异步传输：在传输的字符码之前加起始位，表示开始；在字符码或字符校验码之后加停止位，表示结束。每次都检测起始位，以减少传输时间上导致的数据误差
• 同步传输：发送数据前先发送一个同步字符SYN，接收方接收到SYN后准备接收，以保证数据传输的同步

信号是否需要调制划分

​ 基带传输：信号无需任何调制，直接可以在信道中进行传输

​ 频带传输：有些基带信号不适合在信道中传输，需要进行调制，使信号更好的适应信道的频率特性。信号调制的执行设备是调制解调器

多路复用技术

​ 多路复用技术是一种在单一信道上传输多路信号的技术，从时间和空间的角度对信号进行控制，提高信道利用率和传输效率

频分多路复用技术

​ 将不同的信号调节至不同的频率，使其互不干扰的同时传输

波分多路复用技术

​ 与频分类似，用于光信号，将光信号调节为不同的波长传输

时分多路复用技术

​ 将信道的传输时间分为若干个时间片，一个时间片传输一种信号

​ 分为同步和异步两种

码分多路复用技术

​ 按码片序列将信道划分为多个码道

数据通信的性能指标

带宽，吞吐量，时延

​ 带宽：描述网络的最大传输容量

​ 吞吐量：一组特定的数据在特定的时间段经过特定的路径所传输的信息量的实际测量值。带宽可以看做理想状态下的网络最大传输容量，吞吐量是实际的传输容量

​ 时延：数据在网络中从一段传输到另一端所需的时间，包括发送，传播，排队，处理四个过程所耗时间

带宽与传输速率的关系

​ 信息的传输速率不会随着带宽的无限增大而无限增大，信号还会受到信道中的噪音影响

奈奎斯特定理

对于一个信道带宽为W的理想信道(无噪声)，其最大码元速率C为

C_max=2Wlog₂V 单位：b/s

• V表示有多少种码元
• W是信道带宽（最高频率与最低频率之差），单位是Hz

香农定理

​ 在有随机热噪声,信道带宽为W的信道上传输数据信号时，其最大数据传输速率为

**C_max=Wlog₂（1+S/N） ** 单位：b/s

信噪比=10log₁₀(S/N),信号平均功率(S),噪声平均功率(N)

数据编码与调制技术

​ 数据通信方式中，提到了基带传输和频带传输。频带传输中就要用到信号调制技术

​ 编码和调制是将数据转化为信号的过程，概述如下：

• 编码：数据/信号--->数字信号
• 调制：数据/信号--->模拟信号
• 解码：数字信号--->数据
• 解调：模拟信号--->数据

调制

​ 调制是将数字基带信号或者数据，转换为适合信道传输的频带模拟信号的过程。主要技术包括幅移键控ASK，频移键控FSK等技术

编码

​ 编码是在不改变数字信号波形的前提下，将数字信号和模拟信号转换成合适传输的数字信号的过程

• 不归零编码(NRZ)：高电平表示1，低电平表示0

​ 易实现，无检错，难以时钟同步

• 归零编码：高1低0，但在一个码元内最终要归零

​ 易实现，时钟同步，占带宽

• 曼彻斯特编码：前高后低为1，前低后高0

​ 码内跳变，可时钟同步，也可做数据信号

​ 两倍带宽表示一个位，效率减半

• 查分曼彻斯特编码：

  第一位正常，从第二位开始：

  码元为1，前码元后半段与后码元前半段相连

  码元为0，前码元后半段与后码元前半段跳变

​ 抗干扰能力强，但编码复杂

物理层接口特性

机械特性：物理设备的形状和尺寸，数目和排列等

电气特性：电压范围，阻抗匹配，传输速率和距离限制等

功能特性：某电平代表的含义

过程特性：也叫规程特性，不同功能的出现顺序