通信基础
基本概念
- 数据:传送信息的实体
- 信号:数据的电气或电磁表现,是数据在传输过程中的存在形式
- 模拟信号(或数据):连续变化的信号(或数据)
- 数字信号(或数据):取值为有限的几个离散数值的信号(或数据)
- 调制:把数据变换成模拟信号的过程
- 编码:把数据变换成数字信号的过程
- 码元:用一个固定时长的信号波形或数字脉冲表示一个k进制的数字,这个时长内的信号称为k进制码元,该时长称为码元宽度
- 基带信号:没有经过调制的原始信号,特点是频率低。分为数字基带信号和模拟基带信号
- 宽带信号:将基带信号进行调制形成的模拟信号,特点是频率高
定理
奈奎斯特定理
- 在理想低通(没有噪声,带宽有限)的信道中,为了避免码间串扰,极限码元传输速率为2W波特,其中W为理想低通信道的带宽
香农定理
- 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率为:Wlog2(1+S/N) (单位为bps,W为信道的带宽,S为信道所传输信号的平均功率,N为信道内部的高斯噪声功率,计算时S/N为不带dB的数值,例如S/N=30dB,则要将1000代入计算)
采样定理
假设原始信号中的最大频率为fmax,要使采样后的数字信号完整保留原始信号的信号,那么采样频率必须满足:f采样 ≥ fmax
编码与调制
数字数据 -> 数字信号
- 归零编码(RZ):在每个时钟周期的中间均跳变到低电平,接收方根据该跳变调整自身的时钟基准来达到同步的目的,但归零需要占用部分带宽
- 非归零编码(NRZ):整个时钟周期均用于传输数据,但双方难以同步,需要双方都有时钟线
- 反向非归零码(NRZI):用信号的翻转表示0,信号保持不变表示1,既能传输时钟信号,又能尽量不损失带宽。被用于USB2.0
- 曼彻斯特编码:二进制符号1用一个(+,-) 脉冲序列表示,二进制符号0用一 个(-,+)脉冲序列表示,每个脉冲是码元宽度的一半。被用于以太网中
- 差分曼彻斯特编码: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。若码元为0,则相反。常用于局域网中
- 4B/5B编码:将欲发送的数据流的每4位作为一组,按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共用32中组合,但只采用其中的16种对于16位不同的4位码,其它16位作为控制码
数字数据 -> 模拟信号
- 幅移键控(ASK)
- 频移键控(FSK)
- 相移键控(PSK):分为绝对调相和相对调相
- 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
模拟数据 -> 数字信号
- 脉冲编码调制(PCM):采样(满足采样定理) -> 量化 -> 编码
模拟数据 -> 模拟信号
- 为了实现传输的有效性,可能需要更高的频率;或者频分复用(FDM)来充分利用带宽。例如电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的调制方式
传输介质
有线传输介质
双绞线
- 由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
- 根据有无屏蔽层(可进一步提高抗电磁干扰的能力),又分为屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair,STP)和无屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair,UTP)
- 双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。
- 传输距离为几千米到数十千米。当距离过远时,对于模拟传输,用于放大器放大衰减的信号;对于数字传输,要用中继器将失真的信号整形
- 由于价格便宜,在局域网和传统电话网中普遍使用
同轴电缆
- 由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外壳构成
- 按特性阻抗数值的不同,分为50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。50Ω同轴电缆主要用于传输数字基带信号,又称基带同轴电缆;75Ω同轴电缆主要用于传输宽带信号,又称宽带同轴电缆
- 由于外导体屏蔽层的作用,同轴电缆具有良好的抗干扰特性,被广泛用于传输较高速率数据,传输距离更远,价格也较双绞线更贵
光纤
- 主要由纤芯和包层构成,包层较纤芯有较低的折射率,当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质,其折射角将大于入射角。因此只要入射角大于某个临界角度,就会出现全反射,即光线碰到包层就会折射回纤芯,这个过程不断重复,光也就沿着光线传输下去
- 利用光的全反射特性,可以将不同入射角度的多条光线在一根光纤中传输,这种光纤称为多模光纤,光源为发光二极管。光脉冲在多模光纤传输中会逐渐展宽,造成失真,因此只适合近距离传输
- 当光纤的直径减小到只有一个光的波长时,光纤就会像一根波导那样一直向前传播,这种光纤就是单模光纤,其光源为定向性很好的半导体激光器,衰减很小,适合远距离传输
无线传输介质
- 电磁波频率越低,传播损耗越小,覆盖距离越远,绕射能力也越强。但是低频段的频率资源紧张,系统容量有限,因此低频段的无线电波主要应用于广播、电视、寻呼等系统。
- 高频段频率资源丰富,系统容量大。但是频率越高,传播损耗越大,覆盖距离越近,绕射能力越弱。另外,频率越高,技术难度也越大,系统的成本相应提高。
无线电波
- 频率在30GHz以下的电磁波
微波、红外线和激光
- 视距传播
物理层接口
- 机械特性:接口形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
- 电气特性:接口电缆的各条线上的电压范围
- 功能特性:指明某条线上某一电平的电压表示何种意义
- 过程特性(规程特性):知名对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
- 常用的物理层接口标准有EIA RS-232-C、ADSL和SONET/SDH等
物理层设备
中继器
- 中继器仅作用于信号的电气部分,有两个端口,信号从一个端口输入,将信号整形并放大后再从另一个端口转发出去
- 原理是信号再生,而非简单的将衰减的信号放大
- 放大器和中继器都起放大作用,而放大器放大的是模拟信号,原理是将衰减的信号放大
- 5-4-3规则:因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定,因而在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中,互相串联的中继器的个数不能超过4个,而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机,其余2段只能用作扩展通信范围的链路段
集线器
- 实质是一个多端口的中继器,一个端口接收到信号后,对该信号进行整形放大后再从除该端口外的所有端口转发出去。如果同时有多个端口输入将会产生冲突,致使这些数据均无效。