2.1 通信基础
2.1.1 概念
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| 数据 |
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信息的实体 |
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| 信号 |
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信息传输过程中的存在形式 |
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| 码元 |
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代表不同离散数值的固定时长的信号波形/脉冲信号，该固定时长即码元宽度 |
数字信号的计量单位 |
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| 有效离散值 V/离散电平 |
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在数字传输中可以取的状态数。其他说法：1.每个信号分为V级；2. 用V种物理状态来表示数据；3. 信号有V种变化状态 |
若1码元上有k比特数，则有效离散值2^k个 |
| 比特 |
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信息的最小单位，表示二进制中的一位，即1或0 |
比特率=波特率*log2V |
| m进制码元 |
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一个m进制的码元可以取m种不同的状态，每种状态可以用log₂m个比特来表示 |
eg:二进制码元，一位（0或1）来表示一种状态 |
关键词：m进制信号
受奈氏公式和香农公式共同限制！——取小者
| 数据传输速率的两种描述形式 |
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含义 |
单位 |
| 1.码元传输速率/波特率/调制速率/符号速率 |
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单位时间传输的码元数 |
波特（Baud） |
| 2.信息传输速率/比特率/数据率 |
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单位时间传输的比特数，也叫“二进制码元数”。等于每秒传输的周期数 |
b/s |
| 带宽W |
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单位 |
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| 模拟信号中 |
信道传输信号的频率范围 |
Hz |
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| 计算机网络中 |
最高数据传输速率 |
b/s |
不是频率最大值，而是频率最大值-频率最小值 |
2.1.2 信道的极限容量
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条件 |
极限传输速率 |
单位 |
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比较 |
意义 |
| 奈奎斯特定理（采样定理） |
理想低通信道——没有噪声、带宽有限 |
2Wlog2V |
b/s |
此处带宽W的单位 : Hz |
给出极限码元传输速率是2W,并未限制信息传输速率，即一个码元带多少比特率 |
1. 为增大速率——>增加码元携带的比特数 ; 2. 码元传输速率不能任意提高，回导致码间串扰：信号波形失去码元之间的界限 |
| 香农定理 |
带宽受限且有高斯噪声的信道 |
Wlog2(1+S/N) |
b/s |
此处带宽W的单位 : Hz |
给出信息传输速率的极限( 受带宽和信噪比限制 ) |
为增大速率——>1. 提高带宽；2. 提高信噪比 |
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eg1 |
eg2 |
| S/N |
信号平均功率 与 噪声平均功率 之比 |
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10 |
1000 |
| 信噪比 |
10log10(S/N),单位是分贝dB |
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10 |
30 |
2.1.3 编码与调制
| 编码 |
数据->数字信号 |
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eg |
| 数字数据->数字信号 |
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归零编码RZ |
高1低0（或高0低1）; 每个码元：高+零或低+零 |
归零需要占用一部分宽带 |
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非归零编码NRZ |
每个码元：高或低 |
1.优势：一个时钟全用来传数据，编码效率最高；2. 劣势：存在同步问题，双方都有时钟线 |
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反向非归零编码NRZI |
码元前沿变0不变1 |
既能传输时钟信号，也不损失带宽。 |
USB2.0 |
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曼切斯特编码 |
码元中间下跳1上跳0（或相反），每个码元中间都会跳变 |
1.优势：电平跳变既作为时钟（自同步），也作为数据 。2. 劣势：1比特需要两个信号周期，即两个码元，编码效率50%（不高） |
标准以太网 |
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差分曼切斯特编码 |
码元前沿变0不变1，每个码元中间都会跳变 |
更强的抗干扰能力 |
宽带高速网 |
| 模拟数据->数字信号 |
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步骤1：采样 |
连续信号->离散信号 |
采样的频率必须>=原始数据最大频率 |
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步骤2：量化 |
电平幅值->数值（取整） |
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步骤3：编码 |
取整的数值->对应的二进制 |
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| 调制 |
数据->模拟信号 |
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单位 |
| 数字数据->模拟信号 |
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调幅AM或幅移键控ASK |
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调频FM或频移键控FSK |
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调幅PM或相移键控PSK |
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正交幅度调制QAM |
数据传输速率=波特率 x log2（振幅x相位） |
b/s |
| 模拟数据->模拟信号 |
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频分复用FDM |
信号的每路传输速率通常应当保持一致，如果不同路的信号速率不一致，就会导致数据传输失序和错误。为了实现速率的统一，通常会采用脉冲填充的方法 |
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编码速率：实际传输的数据量
码元速率:每秒传送的码元数量
曼切斯特编码和差分曼切斯特编码的编码速率是码元速率的2倍，码元中间都发生了跳变，相当于把码元一分为二
脉冲填充：这意味着在某些信号的时间槽内，除了实际的信号数据外，还会填充一些额外的脉冲，即使这些额外脉冲并不代表任何有效信息。这种做法能够确保所有的信号以相同的速率传输，从而保持系统的同步性。
2.2 传输介质
| 传输介质 |
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disadvantage |
advantage |
distance |
sort |
eg |
| 双绞线 |
并排绞合、相互绝缘的铜导线 |
远距离：1.（模拟信号）放大器放大衰减的信号；2. （数字信号）中继器整形失真的信号 |
价格便宜 |
几千米-数十千米 |
加金属丝屏蔽层的屏蔽双绞线STP；无屏蔽层的非屏蔽双绞线UTP |
传统电话网、局域网 |
| 同轴电缆 |
塑料外层->外导体屏蔽层->绝缘层->内导体 |
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外导体屏蔽层->良好抗干扰（适合高速率数据） |
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75Ω同轴电缆，宽带信号 |
有线电视 |
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50Ω同轴电缆 |
早期局域网 |
| 光纤 |
光导纤维（纤芯+包层）传递光脉冲 |
光脉冲展宽即失真 |
1.损耗小，远距离很经济；2.抗雷电和电磁干扰性能好；3.保密性好；4.体积小，轻便 |
适合近距离传输 |
多模光纤：不同角度多光线在一光纤中。光源：发光二极管 |
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同上 |
数千米-数十千米 |
单模光纤：光纤直径极小，只有一光线一直向前传播。光源：定向性好的半导体激光器 |
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| 无线电波 |
信号向所有方向散播——简化通信连接！ |
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较强穿透力 |
传输距离远 |
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无线手机通信、无线局域网WLAN |
| 高带宽无线通信 |
（均）需要在发收双方有视线通路，直线传播 |
卫星通信(劣势：保密性差，端到端传播时延长) |
很强方向性，频率较高、频段宽 |
地面传播距离有限，需中继站 |
微波 |
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转换成红外信号再传播 |
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很强方向性 |
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红外线 |
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转换成激光信号再传播 |
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很强方向性 |
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激光 |
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2.2.2 物理层主要任务：确定与传输介质的接口的相关特性
- 机械特性
- 电气特性：电压范围、传输速率、距离限制等
- 功能特性：电压意义等
- 过程特性：不同功能事件的出现顺序
2.3 物理层设备
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basis |
attention |
point |
| 中继器 |
整形、放大并转发数字信号。原理：信号再生 |
1.连接的是两网段而不是子网；2.没有存储转发功能，两端必须使用同一个协议 |
廉价、扩大传输距离；但使用数目有限 |
| 放大器 |
放大模拟信号 |
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| 集线器Hub |
多端口的中继器 |
1. 只起放大转发作用，不具备信号定向传送能力；2. 通信聚集在中心结点；3.只能在半双工状态下工作，吞吐量受限；4.无法处理多台机器同时要通信产生的信息冲突 |
标准的共享式设备，只工作在物理层 |
