二、物理层（一）通信基础_物理层通信

目录

1.1通信基础概念

1.2传输方式

1.2.1串行传输和并行传输

 1.2.2单工通信、半双工通信和全双工通信

1.3编码与调制 

1.3.1数字数据编码为数字信号

1.3.2数字数据调制为模拟信号 

1.3.3模拟信号编码为数字信号

1.3.4模拟数据调制为模拟信号

1.4电路交换、报文交换与分组交换

1.4.1电路交换

1.4.2报文交换

1.4.3分组交换

 1.4.3.1数据报与虚电路

 1.4.4三种交换方式的对比

1.5信道的极限容量

1.5.1奈奎斯特定理 

1.5.2香农公式

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1.1通信基础概念

通信的目的是传送信息，如文字、图像和视频等。

数据是指传送信息的实体。

信号是数据的电气或电磁表现。

连续变化的数据称为模拟数据。

取值仅允许为有限的几个离散数值得数据称为数字数据。

连续变化的信号称为模拟信号或连续信号。 

取值仅允许为有限的几个离散数值得信号称为数字信号或离散信号。 

码元是指用一个固定时长的信号波形（数字脉冲）表示一位K进制数字，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，这个时长内的信号称为K进制码元，而该时长称为码元宽度。当K=2时，码元只有两种状态。

波特率又称码元传输速率、调制速率、波形速率和符号速率，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（Baud）。码元速率与码元是几进制码元无关。

 一个数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。

信源（也称源点、源站）是产生和发生数据的源头。

信宿（也称终点、目的站）是接收数据的终点。

信道与电路并不等同，信道是信号的传输媒介。一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传送信息的介质。 

噪声源是信道上的噪音（即对信号的干扰）及分散在通信系统其他各处的噪音的集中表示。

信道按传输信号的形式不同，分为传送数字信号的数字信道和传送模拟信号的模拟信道。

信道按传输介质不同，分为无线信道和有线信道。

基带调制仅仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号，这类调制为基带调制，也称编码。

带通调制需要使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能更好地在模拟信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号（即仅在一段频率范围内能够通过信道）

1.2传输方式

1.2.1串行传输和并行传输

计算机内部多采用并行传输，即数据总线位数。出于经济上的考虑，远距离通信通常采用串行传输。

但并行传输并不是总优于串行传输，因为串行传输的数据传输率一般能做的比并行的单根线的数据传输率大，如USB数据线。

 1.2.2单工通信、半双工通信和全双工通信

一个信道可视为一条线路的逻辑部件，一般用来表示向某个方向传送信息的介质。 因此半双工通信和全双工通信都需要两条信道。 

1.3编码与调制 

数字数据可以通过数字发送器转换为数字信号传输，也可以通过调制器转换成模拟信号传输。

模拟数据可以通过PCM编码器转换为数字信号传输，也可以通过放大器调制器转换成模拟信号传输。 

1.3.1数字数据编码为数字信号

 

在归零编码中高电平表示1，低电平表示0；也可以相反。在其他数字数据编码中也有类似规定。

• 归零编码（RZ）：有同步机制。由于归零需要占用一部分带宽，因此传输效率下降。
• 非归零编码（NRZ）：双方需要都带有时钟线。
• 反向非归零编码（NRZI）：用信号的翻转代表0、信号保持不变代表1。信号的翻转本身可以作为一种通知机制。这种编码综合了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。
• 曼彻斯特编码：用码元中间时刻的电平跳变表示0或1。该跳变可用于实现同步。但它所占的频带宽度是原始基带宽度的两倍，编码效率是50%。传统以太网采用曼彻斯特编码。
• 差分曼彻斯特编码：码元中间时刻的跳变仅表示时钟信号，数据的表示在于每个码元开始时是否有电平跳变。抗干扰能力等性能比曼彻斯特编码要好。
• 4B/5B编码：将欲发送数据流的每4位作为一组，然后转换为5位码。5位码共32种组合，但只采用其中的16种对应16种不同的4位码，其他16种作为控制码或保留。编码效率为80%。

1.3.2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。

基本的调制方法有如下几种：

• 幅移键控（ASK）：只通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0。抗干扰能力差。
• 频移键控（FSK）：只通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0。抗干扰能力强。
• 相移键控（PSK）：只通过改变载波信号的相位值来表示数字信号1和0。又分为绝对调相和相对调相。上图采用相位0和相位π，是一种绝对调相方式。
• 正交振幅调制（QAM）：在频率相同的前提下，将ASK和PSK结合起来，形成叠加信号。
• 注：QAM是一种混合调制方法。因为频率是相位的变化率，所以相位和频率不能进行混合调制。

注:由此可见码元和比特无固定比例关系，应具体分析：

曼彻斯特编码：两个码元表示一个比特。

码元存在16种状态：一个码元可以表示四个比特。

1.3.3模拟信号编码为数字信号

常用于对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM），主要包括三个步骤：

1. 采样是指对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。
2. 量化是把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的整数值，这样就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。
3. 编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

采样定理：在通信领域，带宽是指信号最高频率与最低频率之差，单位为Hz。因此将模拟信号转换为数字信号时，假设原始信号中的最大频率为 f ，那么采样频率 f(采样) 必须大于等于最大频率的两倍，才能保证采样后数字信号完整保留原始模拟信号的信息。又称奈奎斯特定理。

1.3.4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。这种调制方式还可以使用频分复用（FDM）技术，充分利用带宽资源。

1.4电路交换、报文交换与分组交换

从通信资源的分配角度来看，交换就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。 

1.4.1电路交换

电路交换在进行数据传输前，两个结点之间必须建立一条专用的物理通信路径，该路径可能经过许多中间结点。这一路径在整个数据传输期间一直被独占，直到通信结束才被释放。

因此，电路交换分为三个阶段：建立连接→通话（数据传输）→释放连接。

注：早期电话机较少时也可采用两两电话直接相连，不需要电话交换机。  

1.4.2报文交换

数据交换的单位是报文，报文携带有目标地址、源地址等信息。 

1.4.3分组交换

数据交换的单位是分组，将大的数据块划分成合理的小数据块，再加上一个首部（包含源地址、目的地址和编号信息等）。

 1.4.3.1数据报与虚电路

• 数据报不需要建立连接，虚电路必须建立连接。
• 虚电路仅在建立连接阶段使用目的地址和源地址，之后每个分组只需使用长度较短的虚电路号。
• 数据报每个分组独立地进行路由选择和转发；属于同一条虚电路的分组按照同一路由转发。
• 数据报不保证分组的有序到达，不保证可靠通信，可靠性由用户主机保证。
• 虚电路保证分组有序到达，同时可靠性由网络保证。
• 数据报出故障的结点丢失分组，其他分组路径选择发生变化时可以正常传输。但所有经过故障结点的虚电路均不能正常工作。
• 数据报只能由用户主机进行流量控制；虚电路可由分组交换网负责差错处理和流量控制，也可由用户主机负责。

数据报是面向无连接的，它提供的是不可靠服务；虚电路是面向连接的，它必须提供可靠服务。对于出错率高的系统采用数据报方式更合适（因虚电路方式必须保证可靠就要重新建立一条虚电路，任务量大）。

虚电路交换是多路复用技术，每条物理线路可以进行多条逻辑上的连接。

虚电路不只是临时性的，它提供的服务包括永久性虚电路（PVC）和交换型虚电路（SVC），前者是一种提前定义好，基本上不需要建立时间的端点之间的连接。后者是端点之间一种临时的连接，会话结束会取消。 

 1.4.4三种交换方式的对比

• 报文交换的报文大小不固定，且在交换结点中需要很大存储空间，存储转发的时间也不固定，因此不能用于实时通信应用环境。
• 电路交换的优点是传输时延小，适用于远程大量数据传输和交互式、实时会话类通信。缺点是对突发性通信不适应，通信线路的利用率低，不具备差错控制能力。
• 报文交换和分组交换都是存储转换，传输时延：报文交换>分组交换>电路交换。
• 报文交换和分组交换都不需要建立连接（即不需预先分配通信资源），在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率。

下面以2个路由器为例画出分组交换时间示意图，与报文交换不同的是，在每一个路由器节点，当前一个分组发送完毕时，下一个分组就能立即发出。一般不考虑排队时延和处理时延。

若分组数为K，中间节点数为m，发送时延为T，若考虑传播时延Y，则总时间为：(K+m)T+(m+1)Y

1.5信道的极限容量

1.5.1奈奎斯特定理 

理想低通：没有噪音、带宽有限。 

理想低通信道下的极限信息传输速率C=2W（b/s） 。

其中，W为理想低通信道的带宽，V表示每个码元离散电平的数目（也称量化等级）。

1.5.2香农公式

• 比如当S/N（信噪比）=1000时，用分贝表示为30dB。
• 注意区别最大码元传输速率、W(信道的频率带宽)、采样频率。采样频率不能超过波特率理论上限2W，当没有超过时才能当最大码元传输速率使用。

• 带宽W=3KHz，信噪比20dB,二进制码元，最大数据传输率
  香农：C=Wlg(1+S/N)=3*log(1+100)=20Kbps
  奈奎斯特：C=2WlogV=2*3*log2=6Kbps
  两个理论上限不可逾越，只能取两者最小值：C=6Kbps