计算机网络——数据通信基础知识

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1.物理层的基本概念

    物理层要考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输比特流，简而言之就是如何传递0和1。目前网络中的硬件设备传输媒体的种类繁多，通信手段也有许多方式，物理层的作用就是屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异。

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2.数据通信的基础知识

2.1数据通信系统模型

    一个数据通信系统可以划分为三大部分，即源系统、传输系统、目的系统。

• 源点：产生要传输数据的设备。
• 发送器：源点生成的数字比特流通过发送器编码后才能在传输系统中传输。
• 接收器：接收传输系统送过来的信号，把它转换为能够被目的设备处理的信息，
• 终点：接收传送来的数字比特流，把信息输出。

1.2信道的基本概念

    信道和电路并不等同，信道用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
    一般有一下三种形式：
（1）单向通信。又称为单工通信，只有一个方向的通信而没有交互。
（2）双向交替通信。又称为半双工通信，双方都可以发送信息，但不能同时发送。
（3）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收信息。
    来自信源的信号称为基带信号。许多信道不能直接传输基带信号，必须对其进行调制。
    调制分为两类：

• 基带调制：仅仅对信号波形进行变换，使之能够与信道特性相适应。称为基带调制，又称为编码。
• 带通调制：用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，转换为模拟信号。经过载波调制后的信号称为带通信号。

1.3常用编码方式

• 不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
• 归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，为周期中心的向下跳变代表1。
• 差分曼彻斯特编码：每一位中心处都有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1。

1.4基本的带通调制方法

• 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号变化。
• 调频（FM）：载波频率随基带数字信号而变化。
• 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。
      为了达到更高的信息传输速率，必须曹勇更复杂的多元制的振幅相位混合调制方法如正交振幅调制（QAM）。

1.5信道的极限容量

    信号在信道的传输过程中不可避免的会产生失真，但在接收端如果能从失真的波形中识别出原来的信号，那么失真对通信质量就没有影响。码元传输的速率越高，信号传输的距离越远，接收端的波形失真就越严重。

    限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个。
（1）信道能够通过的频率范围
    信号中的高频分量往往不能通过信道。信号中的高频分量在传输时受到衰减，在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，每一个码元所占的时间界限也不是那么明确了。这种现象称为码间串扰。奈氏准则给出了在假定理想条件下，为了避免码间串扰，码元传输速率的上限值：在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过上限，就会出现严重的码间干扰，使接收端对码元的判决成为不可能。
（2）信噪比
    噪声存在于电子设备和信道中，其瞬时值有大有小，会对码元的判决造成影响。因此用信号的平均功率和噪声的平均功率之比记为S/N来表示信噪比，用分贝作为单位。

    而香农公式又指出了信道的极限传输速率是：

    其中W是信道的带宽（以Hz为单位）；S是信道内的高斯噪声功率。
    由香农公式可以知道，信道的带宽或者信道的信噪比越大，信息的极限传输速率越高。
    而如果频带宽度已经决定，信噪比也无法提高，那我们就需要让每一个码元携带更多比特的信息量来提高传输速率。
    比如我们的基带信号是101011000110111010，如果直接传送，每一个码元携带的比特数是1，但如果将每3个比特编成一个组，即101,011,000,110,111,010……共有8中不同的排列，我们采用调制方法来对这些信号进行表示，用8中不用的振幅或者频率等调制，分别表示这8中不同排列，那么原来18个码元的信息就转换成6个新的码元，码元携带的信息量变成了原来的3倍。