计网_数据通信基础知识

2024.07.05：计算机网络数据通信基础知识学习笔记

第2节 数据通信基础知识

  • 2.1 物理层特性（学会区分）
  • 2.2 信道相关的基本概念
    • 2.2.1 数字信号的（基带调制）
      • （1）不归零NRZ编码
      • （2）归零RZ编码
      • （3）反向非归零NRZI编码
      • （4）曼切斯特编码
      • （5）差分曼切斯特编码
    • 2.2.2 数字信号的（带通调制）
      • （1）调幅（AM）
      • （2）调频（FM）
      • （3）调相（PM）
      • （4）正交振幅调制QAM
  • 2.3 信道的极限容量（香农、奈氏）【物理层考试的重点】
    • 2.3.1 信道的两种传输速率
    • 2.3.2 码元在信道传播会受到两个影响
      • （1）码间串扰（奈奎斯特定理）
      • （2）噪声（香农公式）
  • 2.4 数据通信系统模型（通信专业）
  • 2.5 信道复用技术
    • 2.5.1 频分复用FDM（最基本）
    • 2.5.2 时分复用TDM（最基本）
    • 2.5.3 统计时分复用STDM（TDM的改进版本）
    • 2.5.4 波分复用WDM
    • 2.5.5 码分复用CDM

主要是了解数据到底是怎么样在传输媒体上传输的

2.1 物理层特性（学会区分）

  • 物理层考虑的是怎么样才能在连接各种计算机的传输媒体上去传输数据的比特流
  • 而不去研究具体的传输媒体，因为具体的传输媒体其实它不属于物理层

物理层研究的是怎么样在这些传输媒体上传数据

  • 物理层的作用就是尽可能屏蔽掉这些传输媒体和通信手段之间的差异
  • 让物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样链路层就只去考虑本层的协议和服务

物理层的主要任务可以描述为确定与传输的接口有关的一些特性：

对于这些特性，要学会如何进行区分！

  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
  • 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的（范围）
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的（意义）
  • 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

2.2 信道相关的基本概念

在计算机网络中，经常使用（信道）这个名词，信道和电路并不相同。

  • 信道一般都是表示向某一个方向传送信息的媒体。
  • 一条通信电路往往包含一条发送信号和一条接受信道

从通信的双方信息交互的方式来看，有以下三种基本方式：

  • 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。比如电视广播
  • 双向交替通信（半双工通信）：通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（也不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接受，过一段时间后可以再反过来（只有一条信道）
  • 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接收信息，显然这样需要（两条信道）
  • 来自信源的信号一般称为基带信号（基本频带信号）
  • 计算机输出的代表各种文字或者图像文件的数据信号都属于基带信号。
  • 基带信号有很多不适合信道传输的低频或者直流分量，所以需要对基带信号进行调制
  • 理解1：
    基带信号就是最初生成的信号，没有经过任何处理的原始信号（基带信号不限于是数字还是模拟，取决于原始信息的性质和处理方式）
  • 理解2：
    低频分量指的就是信号中变化较慢的部分，在频率的领域中，低频就表示这个信号的周期比较长，变化不是很频繁；
    直流分量就是信号中不随时间变化的部分，也就是信号的常数部分，在电信号中，如果说一个信号的平均值不为0，那它就包含了直流分量
  • 基带调制（基带编码）：对于基带信号的波形变换，让它适应信道的特性，变换后信道仍然是基带信号，把数字信号转换为另一种的数字信号

在这里插入图片描述

  • 带通调制：需要使用（载波）进行调制，把基带信号搬到较高的频段，转换为模拟信号，这样能更好的在模拟信道中传输，经过调制后的信号称为带通信号（即在一段频率范围内能够通过信道）

在这里插入图片描述

由于我们不是通信专业的学生，所以说，如果给大家介绍这两种调制的话，听不懂是正常的。我们的重点不在于这两种调制方法，而是要给大家介绍如何将数字信号通过这两种调制方式，调制出来一个可以放在信道上传送的这个信号。

2.2.1 数字信号的（基带调制）

在这里插入图片描述

（1）不归零NRZ编码

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不归零制：正电平代表1，负电平代表0（或者相反），一个时钟全部用来传输数据，效率最高，但是收发双发存在同步问题，双方都带有时钟线。

（2）归零RZ编码

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归零编码：高电平表示1，低电平表示0（或相反），每个码元中间均跳变到零电平（归零），接收方根据归零的跳变调整时钟，接收方根据归零的跳变调整时钟，这就为收发双方提供了自同步机制

（3）反向非归零NRZI编码

在这里插入图片描述
反向非归零NRZI编码：用电平的跳变表示0，电平保持不变表示1，跳变信号本身作为一种通知机制，传输时钟信号。

USB2.0的编码方式就是NRZI编码

（4）曼切斯特编码

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曼切斯特编码：每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号用于同步，又作为数据信号。向下跳表示1，向上跳表示0（或者相反）

标准以太网使用的就是曼切斯特编码

曼切斯特编码每2个码元能表示1个比特，所以比特率=0.5波特率

（5）差分曼切斯特编码

在这里插入图片描述
差分曼切斯特编码：每个码元中间都发生电平跳变，电平跳变仅表示时钟信号，不表示数据。

数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变，无跳变表示1，有跳变表示0

2.2.2 数字信号的（带通调制）

（1）调幅（AM）

在这里插入图片描述
调幅：载波的振幅随着数字信号而变化，比如分别对应有幅度和无幅度

（2）调频（FM）

在这里插入图片描述
调频：让载波的频率随着基带数字信号变化而变化，如0对应f1，1对应f2

（3）调相（PM）

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调相：载波的初始相位随基带数字信号而变化，比如0和1分别对应相位0度和180度

（4）正交振幅调制QAM

在频率相同的前提下，把AM和PM结合起来，形成叠加信号。

设波特率为B，有m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM的数据传输速率R为
在这里插入图片描述

2.3 信道的极限容量（香农、奈氏）【物理层考试的重点】

2.3.1 信道的两种传输速率

码元传输速率/波特率：单位时间内所传输的码元数，单位是Baud

信息传输速率/比特率：又叫数据传输速率，单位时间内传输的比特数，单位是b/s

  • （ 码元）是在物理层上表示数据的信号状态的变化，或者说，它是传输信息的最小单元。
  • 每个码元可以携带一定量的信息，例如一个比特或者多个比特
  • 若1个码元如果有（2^n）种不同的离散值，则有n比特的信息量
  • （码元）其实就是人为去限定的一个单元，你可能把一个比特划分成一个码元，或者两三个比特划分成一个码元

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  • 1波特表示数字通信系统每秒传输1个码元
  • 1个码元可以是多进制的，也可以是二进制的，码元速率与进制数无关
  • 1个码元携带n比特，即比特率：波特率=n:1

考试需要记住的内容：以太网采用曼切斯特编码，两个码元携带一个比特，比特率：波特率=1：2

2.3.2 码元在信道传播会受到两个影响

（1）码间串扰（奈奎斯特定理）

信道能通过的频率范围是有限的：具体的信道能通过的频率范围是有限的，信道中许多高频分量不能通过信道，那么接收端收到的波形中，每个码元的时间界限不再明确，失去了码元之间的清晰界限，这种情况叫（码间串扰）
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1924年，奈奎斯特推导出奈式准则：在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，传输速率超过这个上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端无法识别码元

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（2）噪声（香农公式）

噪声会随机产生并存在于所有的电子设备和通信信道中，但是噪声的影响是相对的，如果信号强，噪声的影响就小。所以信噪比很重要，记作S/N，使用分贝dB作为度量单位，即信噪比

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信噪比越大，信息的传输速率越高。只要你的信息传输速率比这个极限信息传输速率低，那就表明肯定有方法实现无差速的传输，具体方法暂时不用去深入了解

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2.4 数据通信系统模型（通信专业）

在这里插入图片描述

  • 源点：源点设备产生要传输的数据，比如从计算机键盘输入文字，计算机产生输出的数字比特流。源点也称源站或信源
  • 发送器：通常源点生成的数字比特流要（通过发送器编码后）才能在传输系统中进行传输
  • 接收器：接受传输系统传送过来的信号，转换成（能被目的设备处理的信息）
  • 终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，把信息输出（比如计算机上显示文字）。也称目的站或信宿
  • 通信的目的是传递消息
  • 数据是运送消息的一个实体
  • 信号是数据的一个电磁表现

通信的目的是传递信息，根据信号中代表信息的参数取值方式不同，信号可以分为以下两大类：

  • 模拟信号（连续信号）：信息的参数取值是连续的
  • 数字信号（离散信号）：信息的参数取值是离散的

2.5 信道复用技术

所谓复用就是共享1条信道去传送多路的信号，在接收端再用这个分用器把合起来的传输信息分别送到相应的终点

2.5.1 频分复用FDM（最基本）

  • 频分复用指将信道的总频带划分为多个子频带，每个子频带作为一个子信道，每对用户使用一个子信道进行通信。
  • 所有用户在同⼀时间占用不同的频带资源。
  • 每个子信道分配的频带可以不相同，但是综合不能超过信道总频带。同时为了防止子信道互相干扰，相邻信道还要加⼊“隔离频带”

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2.5.2 时分复用TDM（最基本）

  • 时分复用(也叫同步时分复用)是将信道的传输时间划分成几段等长的时间片，称为TDM帧
  • 每个用户在每个TDM帧中占用固定序号的时隙，每个用户占用的时隙周期性地出现。
  • 所以时分复用的所有用户是在不同的时间占⽤同样的频带宽度

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BUG：使用时分复用系统传输数据的时候，如果用户有一段时间暂时无数据传输，那分配到手的子信道就会一直空闲，其他用户也无法使用这个暂时空闲的线路资源，这就导致复用后的信道利用率不高

2.5.3 统计时分复用STDM（TDM的改进版本）

STDM帧的分配更多的是基于信道需求的，一个统计数据，而不是固定分配

  • 统计时分复用（也叫异步时分复用），对时分复用进行了改进，能明显提高信道利用率。
  • 每一个STDM帧中时隙数小于用户数，各用户有了数据就随时发往集中器的输入缓存，集中器按顺序扫描输入缓存，把缓存中的数据放入STDM帧中。
  • 没有数据的缓存就跳过。当一个帧的数据放满了就发送出去，因此STDM帧是按需动态地分配时隙
  • 因此STDM帧中时隙不是固定分配给某个用户，所以每个时隙中还需要记录用户的地址信息，会有一些额外开销

2.5.4 波分复用WDM

波分复用即光的频分复用，在一根光纤中传输多种不同波长（频率）的光信号，因为波长不同，各路光信号互不干扰，最后用光分用器将各路波长分解出来。（联想中学物理光学知识）

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2.5.5 码分复用CDM

码分复用也叫做码分多址CDMA，每一个比特时间再划分为m个短间隔，称为码片

下面假设m=8，使用CDMA的每⼀个站被指派⼀个唯⼀的m bit码片序列，⼀个站如果要发送比特1，就发送自己的码片序列；如果要发送比特0，就发送码片序列的⼆进制反码

在这里插入图片描述
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总结

  • 每个站都要有自己的，满足要求（各站码片序列正交）的码片序列
  • 如果要发比特1，就发送自己的码片序列
  • 如果要发比特0，就发自己码片序列的反码
  • 接收站也需要知道想要接受对象的码片序列，用接收到的混合数据和码片序列求规格化内积即可

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