通信基础

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。

其主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性，即定义标准。

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。

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。

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等。

规程特性：(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

典型模型

通信的目的是传送消息(消息包含语音、文字、图像、视频等)

数据通信指在不同计算机之间传输表示信息的二进制数0、1序列的过程。

数据(data)：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。

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。

信号包含两种：① 数字信号/离散信号：代表消息的参数的取值是离散的。

② 模拟信号/连续信号：代表消息的参数的取值是连续的。

信源：产生和发送数据的源头

信宿：接受数据的终点。

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。

信号类型

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输(基带传输)。来自信源的信号，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。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们说话的声波就是基带信号。

宽带信号：将基带信号进行调制后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输 。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输(即仅在一段频率范围内能够通过信道)。

在传输距离较近时，计算机网络采用的是基带传输的方式(近距离衰减小，信号内容不容易发生变化)。反之在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式(远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号)。

通信方式

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。如广播。

半双工通信/双向交替通信

通信的双方都可以发送和接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。如对讲机

全双工通信/双向同时通信

通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道。例如打电话，打视频。

数据传输方式

串行传输

将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送。

这种传输方式速度慢，费用低，适合远距离进行传输。

并行传输

将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送。

这种方式速度快，费用高，适合近距离传输。

同步传输

在同步传输的模式下，数据的传送是以一个数据区块为单位，因此同步传输又称为区块传输。在传送数据时，需先送出一个或多个同步字符，再送出整批的数据。

异步传输

异步传输将比特分成小组进行传送，小组可以是8位的一个字符或更长。发送方可以在任何时刻发送这些比特组，而接收方不知道它们会在什么时候到达。传送数据时，加一个字符起始位和一个字符终止位。

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，这个时长内的信号被称为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。

数字通信系统数据传输速率的两种表示方式

速率也为数据率，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。

(1) 码元传输速率：别名为码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，其表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可以成为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Baud，简写为B)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。

数字信号有多进制和二进制之分，但码元速率与进制数无关，只与码元长度T有关

(2) 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)。

这二者速率之间的关系为：若一个码元携带了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

模拟信号系统：当输入的信号频率高或低到一定程度，使得系统的输出功率成为输入功率的一半时(即-3dB)，最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，其单位为赫兹(Hz)。

数字设备：表示在单位时间内从网络中的某一点到另一个点所能通过的“最高传输数据率”除以单位时间内通过链路的数量，常用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力。单位是比特每秒(bps)。

拥有更宽的带宽即拥有更大的信息运送能力。

失真

失真通常指的是原始信息在传输、处理或呈现过程中发生的变化或损失。这个词在不同的领域中有不同的含义。

1. 音频失真： 在音频领域，失真通常指的是音频信号在录制、传输或播放过程中发生的变形或损失。这可能包括噪音、畸变或其他形式的信号损害。
2. 图像失真： 在图像处理中，失真可以指图像在采集、传输或显示过程中发生的变化。这可能包括模糊、伪影、颜色失真等。
3. 信息失真： 在通信领域，信息失真表示在信息传递过程中由于噪音、干扰或其他因素导致的信息内容的改变或损失。

信道带宽是信道能通过的最高频率与最低频率之差，如上图的信道带宽为 3300Hz - 300Hz = 3000Hz

200Hz无法通过是因为数据在传输过程中会失真，导致传输过去之后可能数据已经衰减丢失，所以无法通过。而4000Hz无法通过的原因是因为码间串扰(接收端收到的信号波形失去了码元之间清晰界限的现象)，码元传播的速度太快，导致无法区分码元与码元之间

奈氏准则(奈奎斯特定理)

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。

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，使得接收端对码元的无法完全正确识别。

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给出限制。

由于码元的传输速率收到奈氏准则的制约，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，则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，记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位。

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会有上限值。

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。

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。

香农定理得出的是极限(理想)信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比其低不少。

编码与调制

传输介质/设备

导向性传输介质

传输介质也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

单模光纤是一种横向模式直接传输光信号的光纤，光源采用的是定向性很好的激光二极管。其衰耗小，适合远距离传输。

多模光纤有多种传输光信号模式的光纤，光源采用的是普通发光的二极管。容易失真，适合近距离传输。

光纤的特点：

1. 传输损耗小，中继距离长，对远距离传输经济较实惠。
2. 抗雷电和电磁干扰性能好。
3. 无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。
4. 体积小，重量轻。

非导向性传输介质

物理层设备

中继器

由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。于是诞生了中继器。

中继器能对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

中继器两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。中继器只将任何申缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据两端可连相同媒体，也可连不同媒体。中继器两端的网段一定要是同一个协议。

网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

集线器

集线器的功能是对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有(除输入端口外)处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。