计网复习——第三章数据和信号-CFANZ编程社区

1.物理层相关概念

1.1 信号

数据要进行传输，必须转换为电磁信号
数据以及表示数据的信号可以用模拟或者数字的形式。
其中：
模拟数据是指连续状态的信息。
数字数据是指离散状态的信息。
信号也是同样的道理：
模拟信号在一段时间内有无穷多个强度等级。
数字信号只能有有限个已定义的数值。
相比较而言，模拟信号在传输过程中如果出现干扰发生波形变换是很难纠正的，数字信号则可以进行修复。

1.1.1 数字信号

数字信号是一种复合模拟信号。

带宽：复合信号包含的频率范围称为带宽。复合信号的带宽是信号最高频率和最低频率的差值。
周期信号和非周期信号相比较而言，周期信号的带宽包括该区间所有的整数频率，非周期信号的频率是连续的。
比特率：比特率是1s发送的位数，以bps（bits per second）为单位。
电平和每个电平传输的位数关系：通常如果有L个电平，那么每个就需要log₂L个位。其原因可以理解为我们要为每个电平唯一的标号，且该标号为二进制数，该表达式就是求解该位数需要多少位能够对这些电平唯一的标号。
位长：传播速度x位持续时间。理解为一个位在传输介质上的距离。

1.1.1.1 基带传输

所谓基带传输就是基本频带传输，直接将数字信号传输给另一个设备。
基带传输是通过通道传输数字信号，不转换为模拟信号。
基带传输需要一个下限是0的低通通道。

1.1.1.2 低通通道

带宽从0开始的通道。

窄带宽低通通道
在这种情况下，我们将数字信号近似成模拟信号。近似程度取决于可用的带宽：

宽带宽低通通道
可理解为在更好近似的基础上，将谐波加到相当多。
假设这个宽带相当宽，那么我们可以得到一个非常接近的模拟信号，虽然这个信号可能不是原始信号的复制品，但是我们可以还原出数据。

1.1.1.3 宽带传输

宽带传输或调制就是把数字信号转换为模拟信号进行传输。调制允许我们使用带通通道。
带通通道就是在低通通道的基础上，去掉从0开始的限制。反而言之，低通通道可以看做从0开始的带通通道。

在数字信号和模拟信号转换时，我们需要一个转换器，这个转换器如果可以在发送端将数字信号转换为模拟信号，在接收端把模拟信号还原为数字信号，我们将该转换器称为调制解调器，也就是我们常说的猫。

1.1.2 模拟信号

就是连续的信号。在介质上的表现形式为电磁波或光波。

1.2 传输减损

减损原因：

1.2.1 衰减

衰减意味着能量损失。信号在介质中传输时，可能会导致线材发热，信号中的一部分能量转换为热能损失掉了。为了补偿能量损失，我们使用放大器不断的重新放大信号。
为了说明信号的损失或增益的程度，工程上提出分贝的概念：
$dB=10log_{10}\frac{P_2}{P_1}=10log_{10}\frac{在介质中后面位置的功率}{在介质中前面位置的功率}=10log_{10}\frac{后}{前}=10log_{10}\frac{V_2}{V_1}$

1.2.2 失真

失真意味着信号发生了形态或形状上的改变。失真是由于对于复合信号而言，其不同频率的分组在通过介质时有自己的传播速度，所以在到达目的节点时有各自的延迟从而导致相位的差异。最终，重新合成的复合信号与发送方发送的复合信号不吻合。

1.2.3 噪声

噪声一般指处复合信号外的其他信号。这类信号对于我们的信息传输起损害作用。这类信号越少越好。为了衡量我们的复合信号在传输过程中噪声和信号的相对大小，我们提出信噪比（SNR)：
$SNR=\frac{平均信号功率}{平均噪声功率}=\frac{\bar{P_{信号}}}{\bar{P_{噪声}}}$
又由于SNR是两个功率的比率，所以一般用分贝单位描述：
$SNR_{dB}=10log_{10}SNR$

1.3 数据速率限制

一般在考试中，奈奎斯特速率用来计算使用的信号电平数，香农容量定理用来算容量大小。

1.3.1 无噪声通道：奈奎斯特速率

公式定义了通道理论上的最大比特率：
$比特率=2\times带宽\times log_2L$
(注：带宽表示通道的带宽，L用于表示数据的信号电平数量。）

1.3.2 噪声通道：香农容量定理

实际情况中，不可能有无噪声通道，通道总是有噪声的。所以为了确定噪声通道理论上的最高数据速率，1944年，Claude Shannon引进了一个公式，史称香农容量定理：
$通道容量=带宽\times log_2(1+SNR)$
注意，该公式中没有指出信号电平，这意味着无论使用多少个电平，都不可能获得比通道容量更高的数据速率。所以该公式定义了通道的特性，而不是传输方式。