标签：码元 信号 传输速率 传输 信道 物理层 第二章

目录

• (1) 物理层的基本概念
• (2) 数据通信
  • 2.1 数据通信相关基本术语
  • 2.2 三种通信方式
  • 2.3 数据传输方式
  • 2.4 码元
  • 2.5 数字通信系统数据传输速率的两种表示方法
  • 2.6 带宽
• (3) 奈氏准则和香农定理
  • 3.1 失真
  • 3.2 奈氏准则（奈奎斯特定理）
  • 3.3 香农定理
  • 3.4 奈氏准则和香农定理的联系
• (4) 编码与调制
  • 4.1 基带信号与宽带信号
  • 4.2 编码与调制区别
  • 4.3 数字数据编码为数字信号
  • 4.4 数字数据调制为模拟信号
  • 4.5 模拟数据编码为数字信号
  • 4.6 模拟数据调制为模拟信号
• (5) 数据交换方式
  • 5.1 电路交换（Circuit Exchanging）
  • 5.2 报文交换（Message Exchanging）
  • 5.3 分组交换（Packet Exchanging）
    • 5.3.1 分组交换——数据报方式
    • 5.3.2 分组交换——虚电路方式
    • 5.3.3 数据报与虚电路两种方式的区别
  • 5.4 数据交换方式的选择
• (6) 物理层传输介质
  • 6.1 双绞线
  • 6.2 同轴电缆
  • 6.3 光钎
  • 6.4 非导向性传输介质
• (7) 物理层设备
  • 7.1 中继器
  • 7.2 集线器(多口中继器)

(1) 物理层的基本概念

物理层解决如何在链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。

物理层的主要任务：确定传输媒体接口有关的一些特性—，即定义标准。

物理层接口特性

1. 机械特性：定义物理连接的特性，规定物理链接是所采用的规格、接口形状、引线数目、引脚数目和排列情况。
2. 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。
3. 功能特性：指明某条线上出现的某一电平表示何种意义，接口部件的信号显得用途。
4. 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。

(2) 数据通信

通信的目的是传送消息。

2.1 数据通信相关基本术语

• 数据 data：传送信息的实体，通常是有意义的符号序列。
• 信号：数据得电气/电磁的表现，是数据在传输过程中的存在形式。
  • 数字信号/离散信号
  • 模拟信号/连续信号
• 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受信道。
  • 按传输信号分类：模拟信道、数字信道
  • 按传输介质分类：无线信道、有线信道

2.2 三种通信方式

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。eg：广播。
• 半双工通信/双向交替通信：通信的双方都可以发送或者接受信息，但任何一方都不能同时发送和接收，需要两条信道。eg：对讲机。
• 全双工通信/双向同时通信：通信爽都可以同事发送和接受信息，需要两条信道。eg：打电话。

2.3 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一次发送。速度慢，费用低，适合距离远。
• 并行传输：将表示一个字付的 8 位二进制数同时通过 8 条信道发送。速度快，费用高，适合近距离。计算机内部使用并行传输。
• 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，需要先送出 1 个或者多个同步字符 SYN，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 个字符或者更长。发送方可以在任何时可发送这些比特组，而接收方不知道他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。
  

2.4 码元

定义：指用一个固定长度的信号波形（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，这个时长内的信号成为 k 进制码元，而该时长成为码元宽度。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。

二进制编码时，存在 01（高电平与低电平）两种信号，此时就对应着两种不同的离散状态，需要 1bit 来表示。
四进制编码时，存在 4 种信号，此时就对应着四种不同的离散状态，需要 2bit 来表示。
十六进制编码时，存在 16 种信号，此时就对应着 16 种不同的离散状态，需要 4bit 来表示。

2.5 数字通信系统数据传输速率的两种表示方法

速率也叫数据率，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来表示。

码元传输速率

别名码元速率、波形速率、调制速率、符号速率等，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者信号变化的次数），单位是波特（Baud，简写 B）。1B 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，但是码元速率与进制数无关，只与码元长度 T 有关，且二者互为倒数。$$R_B = \frac{1}{T}(B)$$

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），单位使比特/秒（b/s）。1b/s 表示 1 秒传输多少个比特。

关系

若一个码元携带 nbit 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 Mxn bit/s。

经典例题 1：

经典例题 2：

\[4800 = 1600 \times log_2^8 \]

经典例题 3：

\[1200 = 2400 \div log_2^4 \]

2.6 带宽

• 模拟信号中：最高频率和最低频率间的差值就代表了系统的通频带宽，单位赫兹(Hz)。
• 数字设备中：表是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，常用来表示网络中的通信线路所能传输数据的能力，单位比特每秒(bps，b/s)。

(3) 奈氏准则和香农定理

3.1 失真

影响失真程度的因素：码元传输速率、信号传输距离、噪声干扰、传输媒体质量

一种重要失真现象--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。如下图中第四根电话线上的波形震动太快，导致接收方无法识别。

3.2 奈氏准则（奈奎斯特定理）

在奈氏准则和香农定理中的带宽单位使赫兹 Hz！

奈氏准则：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 表是带宽，单位为 Hz。

理想低通信道下的极限数据传输速率为 \(= 2W log_2^V(b/s)\)，其中 v 代表有几种码元/码元的离散电平数目。

注意：

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线，就出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），就可以使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，但是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，就必须设法师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。

3.3 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断产生错误。但是噪声的影响是相对的，若信号强，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，二者转换关系为：信噪比(db)\(=10log_{10}^{(S/N)}\)。

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。

信道的极限数据传输速率 = \(W log_2^{(1 + S/N)}\ \ (b/s)\)，其中 W 表示带宽。

注意：

1. 信道的带宽或者信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
2. 对一定得传输带宽和一定的信噪比，信息的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误差错的传输。
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被它低不少。
5. 从香农定理可以得出，若信道的带宽 W 或者信噪比 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。

3.4 奈氏准则和香农定理的联系

(4) 编码与调制

4.1 基带信号与宽带信号

信道：信号传输的媒介。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受信道。

信道上传送的信号：

• 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）。适合距离较近的传输。
• 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）。适合距离较远的传输。

4.2 编码与调制区别

4.3 数字数据编码为数字信号

非归零编码：编码容易实现，但是没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步。

归零编码：信号电平在一个码元之内都要恢复到零的这种编码方式。

曼切斯特编码：将码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个减个位高电平表是码元 1；码元 0 则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变即作为时钟信号（可用于同步），又做数字信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的 1/2。

差分曼切斯特编码（同 0 异 1）：常用语局域网传输，其规则是：若码元为 1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为 0，则相反。该编码的特点为：每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强与曼切斯特编码。

4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的 0 或 1，就是用 5 个比特来编码 4个比特的数据，之后在传给接收方，因此称为 4B/5B 编码。编码效率为80%。

4.4 数字数据调制为模拟信号

4.5 模拟数据编码为数字信号

4.6 模拟数据调制为模拟信号

(5) 数据交换方式

5.1 电路交换（Circuit Exchanging）

原理：在数据传输期间，源节点与目的节点之间有一条由中间节点构成的专用物理连接线路，在数据传输结束之前，这条线路一直保持。

过程：建立连接 \(\rightarrow\) 数据传输 \(\rightarrow\) 释放连接

特点：独占资源，用户始终占用端到端的固定传输宽带。适用于远程批处理信息传输或者系统间实时性要求高的大量数据传输的情况。

优缺点：

5.2 报文交换（Message Exchanging）

报文（message）：报文是网络中交换与传输的数据单元，即站点一次性要发送的数据块。报文包含了完整的数据信息，其长短很不一致，长度不限且可变。

报文交换原理：无需在两个站点之间建立一条专用通路，起数据传输的单位是报文，传送过程采用 存储转发 方式。

优缺点：

5.3 分组交换（Packet Exchanging）

分组（packe）：大多数计算机网络都不能连续的传送任意长度的数据，所以实际上网络系统把数据分割成小块，然后逐块的发送，这种小块就成为分组。

分组交换原理：分组交换与报文交换的方式基本相同，都采用 存储转发 的方式，形式上的主要差别在于，分组交换网中要限制所传输的数据单位的长度，一般为 128B 。发送节点首先对从终端设备送来的数据报文进行接收、存储，而后将报文划分成一定长度的分组，并以分组为单位进行传输和交换。接收节点奖收到的分组祖装成信息或者报文。

优缺点：

5.3.1 分组交换——数据报方式

特点：

5.3.2 分组交换——虚电路方式

特点：

5.3.3 数据报与虚电路两种方式的区别

5.4 数据交换方式的选择

(6) 物理层传输介质

传输介质：也称为传输媒体/传输媒介，是数据传输系统中在发送设备和接受设备之间的物理通路。

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层下面，因为物理层使体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为 0 层。在传输媒体中船说的是信号，但是传输媒体并不知道所传输的信号所代表所代表的意义，但是物理层规定了 电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

传输介质分类：

• 导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介传播。
• 非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

6.1 双绞线

6.2 同轴电缆

6.3 光钎

6.4 非导向性传输介质

(7) 物理层设备

7.1 中继器

7.2 集线器(多口中继器)

标签：码元,信号,传输速率,传输,信道,物理层,第二章
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