[网络协议]计算机网络——第二章 物理层(Part Ⅰ)

通信基础

基本概念

• 一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统(或发送端、发送方)、传输系统(或传输网络)和目的系统(或接收端、接收方)
  
• 源系统一般包括以下两个部分：
  源点：又称为源站，或信源。是产生和发送数据的源头。
  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够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。
• 目的系统一般包括以下两个部分：
  接收器：接收传输系统传送过来的信号，并把它转换为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器。
  终点：又称目的站，或信宿
• 通信的目的是传送消息
• 数据是运送消息的实体
• 信号则是数据的电气或电磁的表现
  模拟信号(或连续信号)：代表消息的参数取值是连续的
  数字信号(或离散信号)：代表消息的参数取值是离散的
  

设计数据通信系统要考虑的3个问题：
①采用单工通信/半双工/全双工通信方式?

• 单向通信，又称单工通信：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
• 双向交替通信，又称为半双工通信：通信的双方都可以发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道
• 双向同时通信，又称为全双工通信：通信双方可以同时发送和接受信息，也需要两条信道

②采用串行通信/并行通信方式?

$$数据传输方式\{\begin{array}{l}串行传输：将表示一个字符的8位二进制数按由低位到高位的顺序依次发送\\ 并行传输：将表示一个字符的8位二进制数同时通过8条信道发送\end{array}$$

③采用同步通信/异步通信方式?

• 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1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1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。
  

• 速率：指的是数据传输速率，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。
  码元传输速率：又称波特率，它表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数(也可称为脉冲个数或信号变化的次数)，单位是波特(Brad)。1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元。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，只与码元长度T有关。$R_B=\frac{1}{T}(B)$【1s传输多少个码元】
  信息传输速率：又称信息速率，比特率等，它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)【1s传输多少个比特】
  二者的关系：若一个码元携带n比特的信息量，则M波特率的码元传输速率所对应的信息传输速率为M×n比特/秒
• 带宽：
  模拟信号系统中：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)。
  数字设备中：表示在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"/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)。

奈奎斯特定理与香农定理

• 失真：失真又称"畸变"，指信号在传输过程中与原有信号或标准相比所发生的偏差。 在理想的放大器中，输出波形除放大外，应与输入波形完全相同，但实际上，不能做到输出与输入的波形完全一样，这种现象叫失真。
• 失真的一种现象：码间串扰
  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
  
  

影响失真程度的因素：

1. 码元传输速率
2. 信号传输距离
3. 噪声干扰
4. 传输媒体质量

奈奎斯特定理

奈氏准则：在理想(无噪声)低通(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波特，W是信道带宽，单位是Hz。

• 结论：

1. 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
3. 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，这就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，常记为S/N，并用分贝(dB)作为度量单位，即：$信噪比(dB)=10lo{g}_{10}(S/N)$
• 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。
  
• 结论：

1. 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
2. 对一定的传输带宽和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了
3. 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
4. 香农定理得出的为极限信息传输速率，实际信道能达到的传输速率要比它低不少
5. 从香农定理可以看出，若信道带宽W或信噪比S/N没有上限〈不可能)，那么信道的极限信息传输速率也就没有上限

奈奎斯特定理和香农定理的比较

• 奈氏准则：

1. 带宽受限无噪声条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限2W波特
2. $理想低通信道下的极限数据传输率=2Wlo{g}_{2}V(单位为b/s)$
3. 要想提高数据率，就要提高带宽/采用更好的编码技术

• 香农定理：

1. 带宽受限有噪声条件下的信息传输速率
2. $信道的极限数据传输速率=Wlo{g}_2(1+S/N)$
3. 要想提高数据率，就要提高带宽/信噪比

编码与调制

• 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。
  $$信道?\begin{array}{l}按传输信号分\{\begin{array}{l}模拟信道(传输模拟信号)\\ 数字信道(传输数字信号)\end{array}\\ 按传输介质分\{\begin{array}{l}无线信道\\ 有线信道\end{array}\end{array}$$
• 信道上传输的信号：基带信号和宽带信号
  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(宽带传输)。
  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，计算机网络采用基带传输方式(近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化)
  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)
  

数字数据编码为数字信号

1. 归零编码

• 在归零编码(RZ)中用高电平代表1、低电平代表0(或者相反)，每个时钟周期的中间均跳变到低电平(归零)，接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为传输双方提供了自同步机制。
• 缺点：由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率受到了一定的影响

2. 非归零编码

• 非归零编码(NRZ)与RZ编码的区别是不用归零，一个周期可以全部用来传输数据。
• 缺点：NRZ编码无法传递时钟信号，双方难以同步，因此若像传输高速同步数据，则需要都带有时钟线。

3. 反向非归零编码

• 反向非归零编码(NRZI)与NRZ编码的区别是用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1
• 优点：这种编码技能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽

4. 曼彻斯特编码

• 曼彻斯特编码(Manchester Encoding)将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平而后一个间隔为低电平表示码元1；码元0的表示方法则正好相反。当然，也可以采用相反的规定。
• 特点：在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号(可用于同步)，又作为数据信号，但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍。
• 以太网使用的编码方式就是曼彻斯特编码

5. 差分曼彻斯特编码

• 规则：若码元为1，则前半个码元的电平与上一码元的后半个码元的电平相同；若码元为0，则情况相反。
• 特点：在每个码元的中间都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰能力强于曼彻斯特编码
• 差分曼彻斯特编码常用于局域网传输

6. 4B/5B编码

• 将欲发送数据流的每4位作为一组，然后按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共32中组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码(帧的开始和结束、线路的状态信息等)或保留。
  

数字数据调制为模拟信号

• 数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。基本的数字调制方法有如下几种：
  

1. 幅移键控(ASK)

• 通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0，而载波的频率和相位都不改变
• 比较容易实现，但抗干扰能力差

2. 频移键控(FSK)

• 通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0，而载波的振幅和相位都不改变
• 容易实现，抗干扰能力差，目前应用较为广泛

3. 相移键控(PSK)

• 通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0，而载波的振幅和频率都不改变
• 它又分为绝对调相和相对调相

4. 正交振幅调制(QAM)

• 在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号。
• 设波特率为B，采用m个相位，每个相位有n种振幅，则该QAM技术的数据传输速率R为：$R=Blo{g}_2(mn)$ (单位为b/s)

模拟数据编码为数字信号

• 计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列(即实现音频数字化)。
• 最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉码调制(PCM)，在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码。

1. 抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真地代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：$f_{采样频率}\ge 2f_{信号最高频率}$

2. 量化：把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整数，这样就把连续的电平幅值转换为了离散的数字量。
   采样和量化的实质就是分割和转换

3. 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码
   

模拟数据调制为模拟信号

• 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方法还可以使用频分复用(FDM)技术，充分利用带宽资源。电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的编码方式，模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

传输介质

物理层接口的特性

• 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、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点平的电压的意义
• 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序