物理层

数据通信基础知识

数据通信模型

  • 数据：传送信息的实体，通常时有意义的符号序列
  • 信号：数据的电气/电磁的表现，时数据传输过程中的存在形式
  • 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。
    image-20221106163817766

三种通信方式

  1. 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
  2. 半双工通信：通信的双方都可以发送或接收消息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
  3. 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息，也需要两条信道

两种数据传输方式

  • 串行传输image-20221106165443091
  • 并行传输
    image-20221106165454936

并口

image-20221106165557385

码元

  1. 指的时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（码元是一个信号）
  2. 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，该时长称为码元宽度
  3. 当码元的离散状态右M（M>2）时，此时码元为M进制码元
  4. 1个码元可以携带多个比特信息量。
  • 举例子：

  1. 当码元的离散状态有四种时，那么就对应了四种不同的码元00，01，11，10。每个码元都对应着自己的电平也就是数字信号。

    image-20221108160327118

速率（数据率）匹配

  1. 数据的传输速率，单位时间内传输的数据量

传输速率和传播速率的区别

前者主要针对主机，链路开端方面的数据，即把数据发送到链路的速度。
后者是指数据在整个信道上，链路上传播的速度

码元传输速率（波形速率，调制速率，符号速率）

  1. 表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位波特（Baud），一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。

信息传输速率（信息速率，比特率）

  1. 单位时间内数字通信系统传输的二进制码元个数（比特数），单位是比特/秒（1s传输多少比特）

码元传输和信息传输的关系

  1. 若一个码元携带n bit的信息量，则M Baud的码元传输速率所对应的信息传输速率为M X n bit/s。

带宽

  1. 表示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”
  2. 表示网络的通信线路所能传输数据的能力。（b/s）

失真

  1. 现实中的信道会有带宽受限以及噪音等干扰

    码间串扰

  2. 震动的速度和频率太快了，以至于接收端区别不了码元之间的清晰界限的现象。
    信道带宽
  3. 是信道能通过的最高频率和最低频率之差

奈氏准则

  1. 在理想低通（无噪声，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。

image-20221108164817649

  1. 码元传输当然是有上限速率的。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
  2. 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。（也就是W越大）
  3. 奈氏准则给出了码元的传输速率的限制，但并没有对信息传输速率给出限制
  4. 由于码元的传输速率受奈氏准则的制约，所以提高数据的传输速率，就必须设法使每个码元携带跟多个比特的信息量，这就需要采用多元制的调制方法

香农定理

  1. 噪声的随机产生会使接收端一段时间失去对码元的判断能力。
  2. 因为噪声和信号是相对的，因此引入了一个信噪比的量
  3. 信噪比=信号的平均功率/噪声的平均功率。
  • 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
  1. 信噪比越大，极限传输速率越高
  2. 只有有传输带宽以及信噪比，就能够确定信息传输速率的上限
  3. 只要信息的传输速率低于极限值，就有可能完成无差错的传输
  4. 实际的信道传输速率会比极限值低很多
    image-20221108170535322

编码和调制以及其基础知识

基带信号与宽带信号

  1. 信道：是信号的传输媒介，一般用来表示向某个方向传送信息介质。所以会包含一根发送信道和接收信道
  2. 信道又会根据传输信号和传输介质分为模拟信道（传送模拟信号）/数字信道和无线信道/有线信道

    基带信号

  • 将数字信号1，0采用不同的电压表示，再送到链路上。来自于信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。直接表达了要传输信息的信号（不加任何东西）

宽带信号

  • 将基带信号也就是01010的数字信号进行调制形成的频分复用模拟信号，再送到模拟信道上。
  • 宽带利用的是载波调制，信号频分，把信号放在较高频段来传输。

编码与调制

image-20221110123237415

image-20221110113137741

image-20221110113206340

数字数据编码为数字信号

image-20221110114311908

非归零编码【NRZ】
  1. 高1低0,编码容易实现,但没有检错功能,而且没法判断一个码元的开始和结束.两端的难以保持同步
  2. 需要一个信道来发送这条信号的周期和速度,以达到发送与接收同步
    image-20221110114258427
曼彻斯特编码
  1. 前高后低为1,前低后高为0.当然也可以反着来使用
  2. 曼彻斯特能够实现自同步接收,因为它把码元分为了两个相同的间隔
  3. 编码会在码元的时间中间发生跳变,来告诉接收方时钟信号,并且还能作为数据信号传输
  4. 在一个码元时间内信号变化两次也就是进行了2次脉冲

image-20221110115150189

差分曼彻斯特编码
  1. 同1异0,简单来说就是后半段电平的下一位遇到0的话就变化,遇到1则不变

image-20221110115928497

归零编码【RZ】
  1. 信号的电平在每一个码元后都要恢复到0的状态
  2. 需要信道来传输时钟信号

image-20221110114621361

反向不归零编码【NRZI】
  1. 信号的电平翻转表示0,不变表示1.也就是说遇到0就翻转一次电平,遇到1就不变
  2. 需要信道来传输时钟信号

image-20221110114824090

4B/5B编码
  1. 在一个比特流中插入额外的比特来打破一连串的01数据流,就是用5个比特来编码4个比特的数据,之后再传给接收方.
  2. 每个4比特的不同排序都会对应不同排序的5比特.
  3. 剩下的5比特排序会留给作为数据的控制码,也就是定界一样的作用

image-20221110120535909

数字数据调制为模拟信号

image-20221110121407005

模拟数据编码为数字信号（举例：音频数字化）

  1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上的连续的信号变成时间上离散的信号（定理：f采样频率>=2f信号最高频率）

  2. 量化：把取得的电平幅值分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平变为离散的数字量

  3. 编码：量化结果变为二进制编码

    image-20221110122251757

模拟数据调制为模拟信号

  1. 可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。
  2. 模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中进行传输。

传输介质及分类

  1. 传输介质也称传输媒体/传输媒介，它是数据传输系统中在发送设备和设备之间的物理通路
  2. 它是在物理层下面的并不是物理层，有时候会把传输媒体称为体系结构的第0层

导向性传输介质

  1. 需要依赖物理媒介

    双绞线

  • 两根采用一定的规则进行并排绞合的，相互绝缘的铜导线组成。能够减少对相邻导线的电磁干扰
    image-20221114173045429

同轴电缆

image-20221114173620742

光纤

image-20221114173936067

image-20221114174024782

非导向性传输介质

无线电波

  • 信号向所有方向传播
  • 较强的穿透能力，可远距离传输，多用于手机通信

微波

  • 信号固定方向传播
  • 微波通信频率较高，频段范围宽，因此数据率很高
    卫星通信
  • 通信容量大，距离远，覆盖广，广播通信和多址通信
  • 传播时延较长，受气候影响大，误码率高，成本高

红外线，激光

  • 信号固定方向传播
  • 把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外信号和激光信号在空间中传播。

物理层设备

中继器

image-20221114185153756

集线器

image-20221114185248596