计算机网络(物理层)_nrz snr-优快云博客

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前言

开一个新坑,复习一下物理层的知识.

正文

一步一步来吧

通信基础

1.数据信号与码元

数据（Data）：

数据是我们想要传输的信息，可以是任何形式的信息，例如文本、图像、音频或视频。在数字通信中，这些数据被转换成数字形式，以便能够在计算机系统或通信设备之间进行传输和处理。数据可以是离散的（例如数字文本）或连续的（例如音频信号），在数字通信中通常以二进制形式表示，即由0和1组成的比特（bit）序列。

信号（Signal）：

信号是在传输数据时通过通信信道传播的电气或电磁波。信号可以是模拟信号（analog signal）或数字信号（digital signal）。模拟信号是连续的信号，其值在一定范围内连续变化，可以表示为连续的波形。数字信号则是离散的信号，其值只能在离散的时刻取特定的值，通常是0或1。数字信号在数字通信系统中更常见，因为它们更容易被处理和传输。

码元（Symbol）：

码元是在数字通信中表示一定数量的数据的基本单位。在数字通信中，数据被分割成不同的码元，每个码元代表一组特定的比特序列。例如，在二进制系统中，一个码元可以是一个比特（0或1），也可以是多个比特的组合，如2比特（00、01、10、11）或更多比特的组合。码元的选择和表示方式受到调制技术和信号传输环境的影响。

在数字通信系统中，数据被转换为一系列的码元，然后通过通信信道传输到接收端。在接收端，这些码元被解码还原为原始的数据，从而完成了数据的传输过程。

总结起来，数据是我们要传输的信息，信号是用来在通信信道上传输数据的电气或电磁波，而码元则是在数字通信中表示一定数量数据的基本单位。这三者共同构成了数字通信系统中的基本元素。

2.信源,信道与信宿

信源（Source）：

信源指的是信息的源头，也就是产生和发送信息的地方。信源可以是任何产生信息的实体，比如人类说话时产生的声音、摄像头拍摄的图像、传感器采集的数据等。在通信系统中，信源的信息通常以数字形式存在，因此需要进行模数转换（Analog-to-Digital Conversion，ADC），将模拟信号转换为数字信号，以便在数字通信系统中传输和处理。

信道（Channel）：

信道是信息在传输过程中所经过的媒介或路径。它可以是空气中的无线信道、电缆、光纤等。在信道中，信号可能会受到干扰、噪声和衰减等影响，从而导致信息传输的失真。通信系统的设计需要考虑信道特性，以选择合适的调制（Modulation）和编码（Coding）技术，以及错误纠正码（Error Correction Codes）来提高信息传输的可靠性和鲁棒性。

信宿（Destination）：

信宿是信息的目的地，也就是信息最终被送达和接收的地方。在信宿处，接收设备会进行解码（Demodulation）和解析（Decoding）操作，将数字信号转换回原始的信息形式，以便用户或系统能够理解和处理。在数字通信系统中，接收端通常会进行逆向的操作，即将数字信号还原为模拟信号（Digital-to-Analog Conversion，DAC）或数字形式的信息，使其能够被人类感知或其他系统处理。

在一个完整的通信系统中，信源生成信息，通过信道传输信息，最终到达信宿，实现了信息的传输和交流。设计和优化信道传输系统，以确保信息的高效、可靠传输，是通信工程领域的关键任务之一。

而从通信双方的交互方式来看,可以分成三种交互方式:

1.单向通信:只有一个方向的通信没有反方向的通信,仅需要一条信道,例如电视广播和无线电广播

2.半双工通信:通信的双方都可以发送或接受信息,但任何一方都不能同时发送和接受信息,此时需要两条信道.

3.全双工通道:通信的双方都可以同时发送和接受信息,此时也是需要两条信道

3.速率,波特与带宽

速率（Rate）：

速率是指在数字通信中，每秒钟传输的比特数（bits per second，bps）。它表示数字信号中包含的信息量或数据量。速率通常以位每秒（bps）为单位表示。在某些情况下，也可以用千位每秒（kbps）、兆位每秒（Mbps）或吉位每秒（Gbps）等更大单位来表示。

在数字通信中，速率决定了数据传输的快慢，即在单位时间内能够传输多少信息。提高传输速率通常需要使用更高的频率或更复杂的调制和编码技术，以便在有限的频谱范围内传输更多的数据。

波特（Baud）：

波特是指每秒钟信号变化的次数，也就是信号的符号传输速率。一个波特可以表示每秒传输一个码元（symbol）或符号。在调制技术中，波特率表示模拟信号中变化的速度，例如在调幅调制（AM）或调频调制（FM）中，波特率指的是信号的频率。而在数字通信中，波特率指的是码元的传输速率，它和每秒传输的比特数之间的关系取决于每个码元所携带的比特数。

带宽（Bandwidth）：

带宽是指信号在频率域上所占据的频率范围。在通信中，带宽表示信号频谱的宽度，即信号的最高频率和最低频率之间的范围。带宽决定了信号在信道中所需的频谱资源。在调制和解调过程中，带宽限制了信号传输的上限，超出带宽范围的信号将无法正确传输。

带宽与信号的波特率之间存在一定的关系，根据奈奎斯特定理（Nyquist Theorem），带宽（B）和波特率（R）之间的关系可以用下式表示：

B = 2R

这个公式表明，在理想情况下，信号的带宽应该是信号波特率的两倍。然而，在实际通信系统中，由于信号的形状和传输特性，实际带宽可能会受到一些限制，因此需要采取合适的调制和滤波技术，以确保信号在给定的带宽内传输。

4.奈奎斯特定理与香农定理

1.奈奎斯特定理

奈奎斯特定理（Nyquist Theorem），也称为奈氏准则，是由美国工程师哈里·S·奈奎斯特（Harry Nyquist）在20世纪20年代提出的一个基本通信理论定理。奈奎斯特定理提供了数字信号传输的理论基础，它关注了在有限带宽信道中，如何确定最大可靠传输速率的问题。

奈奎斯特定理的表述：

在理想的传输条件下，奈奎斯特定理可以被表述为：在一个带宽为B（Hz）的信道中，最大可靠传输的数据速率（以比特每秒，bps，为单位）为2B，也就是说，信号的最高频率是信号传输速率的两倍。

这个定理的表述可以用下面的公式表示：

R = 2B

其中，R是最大可靠传输速率（波特率，bps），B是信道的带宽（Hz）。

定理的解释和应用：

奈奎斯特定理的实质在于，它告诉我们，在有限的带宽内，我们可以以2B的速率传输数字信号，并且在没有噪声和干扰的情况下，可以完全恢复原始信号。这就意味着，如果信号的传输速率超过了2B，那么信号的频谱将会发生重叠，导致信号之间的干扰，使得接收端无法正确地识别发送的信号。

奈奎斯特定理的应用非常广泛，特别是在数字通信领域。在设计数字通信系统时，工程师们会根据信道的带宽来选择合适的调制技术和传输速率，以确保信号能够在给定的带宽内可靠传输。同时，奈奎斯特定理也为通信系统的容量限制提供了理论依据，帮助工程师们优化系统性能，提高数据传输的可靠性。

2.香农定理

香农定理（Shannon's Theorem），也称为信息论基本定理，是由美国数学家克劳德·香农（Claude Shannon）于1948年提出的一个基本通信理论定理。这个定理奠定了现代通信系统和信息理论的基础，描述了在存在噪声的通信信道中，信息的最大传输速率。

香农定理的主要内容：

1. 信道容量（Channel Capacity）：

香农定理表明，在一个带宽为B（Hz）的信道中，如果该信道的信噪比（Signal-to-Noise Ratio，SNR）为S/N（以线性比例表示），那么该信道的最大可靠传输速率（信道容量）C（以比特每秒，bps，为单位）可以用下面的公式表示：

这个公式说明了在给定带宽和信噪比的条件下，信道的最大可靠传输速率是有限的。如果SNR越高，信道容量就越大，意味着可以传输更多的信息。如果SNR很低，即信号噪声相对较大，那么信道容量将受到限制，传输的信息速率也会受到影响。

2. 数据压缩和错误纠正：

香农定理还指出，在通信系统中，可以通过数据压缩和错误纠正码（Error Correction Codes）等技术，将信息表示为更短的比特序列，并且在接收端通过解压缩和纠错操作将其还原，从而提高信息传输的效率和可靠性。这些技术在现代通信和信息传输中得到了广泛应用。

香农定理的意义和应用：

香农定理对于通信系统的设计和性能分析提供了重要的理论基础。它指导了通信工程师如何在有限的带宽和受限的信噪比条件下，设计高效、可靠的通信系统。此外，香农定理也在信息论、数据压缩、密码学等领域具有重要应用，为信息科学和通信技术的发展奠定了坚实基础。

5.编码与调制

1.数字数据编码为数字信号

在数字通信中，不同的编码方式用于将数字数据转换为信号以便在通信信道上传输。以下是一些常见的编码方式的详细介绍和相应的例子：

1. 归零编码（NRZ，Non-Return-to-Zero）：

在归零编码中，1表示高电平，0表示低电平。数据位的信号电平在整个位间隔内保持不变。归零编码不易造成信号失真，但可能出现时钟同步问题。

例子：原始数据为10110，归零编码后的信号为：101100

2. 非归零编码（NRZ-L，Non-Return-to-Zero Level）：

在非归零编码中，1表示高电平，0表示低电平。与归零编码不同的是，非归零编码中，信号电平在整个位间隔内保持不变，而归零编码中信号电平在每个时钟周期内都会发生变化。

例子：原始数据为10110，非归零编码后的信号为：111000

3. 反向非归零编码（NRZI，Non-Return-to-Zero Inverted）：

在反向非归零编码中，1的信号电平发生变化，而0的信号电平不变。如果有两个连续的1，第二个1的信号电平会发生反转。

例子：原始数据为10110，反向非归零编码后的信号为：110011

4. 曼彻斯特编码（Manchester Encoding）：

在曼彻斯特编码中，每个位周期分为两个子周期，信号的跳变表示二进制位，具体规则是：高电平表示0，从高到低的跳变表示1。

例子：原始数据为10110，曼彻斯特编码后的信号为：10 01 01 10

5. 差分曼彻斯特编码（Differential Manchester Encoding）：

差分曼彻斯特编码中，信号的跳变表示0，而无跳变表示1。信号的初始状态（高或低电平）表示二进制位的值，而后续的跳变表示数据位。

例子：原始数据为10110，差分曼彻斯特编码后的信号为：01 10 01 01

6. 4B/5B编码：

4B/5B编码是一种使用5个比特表示4个数据比特的编码方式，常用于以太网等通信标准中，用于数据传输时的时钟同步和错误检测。它确保了传输中没有过多的连续零或连续一，有利于时钟恢复。

例子：原始数据为1011，4B/5B编码后的信号为：11010

2.数字数据调制为模拟信号

这个技术在发送端将数字信号转换为模拟型号,在接收端将模拟信号还原为数字信号,分别对应着调制解调器的调制和解调过程,基本的数字调制方法有如下几种:幅移键控（ASK，振幅）、频移键控（FSK，频率）、相移键控（PSK，相位）和正交振幅调制（QAM，叠加振幅与相位）

1.幅移键控（ASK）：

这是通过改变载波信号的振幅来表示数字1和0。这种方法的优点是实现起来简单，但容易受增益变化的影响，抗干扰能力弱,是一种低效的调制技术。在电话线路上，通常只能达到1200bps的速率。

2.频移键控（FSK）：

这是通过改变载波信号的频率来表示数字1和0。该技术抗干扰性能好，但占用带宽较大。在电话线路上，使用FSK可以实现全双工操作，通常可达到1200bps的速率。

3.相移键控（PSK）：

这是通过改变载波信号的相位来表示数字1和0。这种调制技术抗干扰性能最好，且相位的变化也可以作为定时信息来同步发送机和接收机的时钟，并对传输速率起到加倍的作用。

4.正交振幅调制（QAM）：

这是通过叠加改变载波信号的振幅和相位来表示数字1和0。这种调制方法在高速数据传输中非常有效，因为它可以提供更高的数据传输速率和更好的频谱效率。QAM技术的信息传输速率可以根据采用的相位和振幅的数量而变化。例如，如果采用16个相位和16个振幅，则该QAM技术的信息传输速率可以达到4倍于ASK、4倍于FSK、4倍于PSK的速率。

3.模拟数据编码为数字信号

主要包括了三个步骤.采样,量化和编码,但在介绍这三步之前,先介绍一下

采样定理:

在通信领域,带宽是指信号最高频率与最低频率只差,单位为HZ,因此,将模拟信号转化为数字信号时,假设原始信号中的最大频率为f,那么采样频率f必须大于等于最大频率f 的两倍,才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息(采样定理又称为奈奎斯特定理)

采样:

采样就是对模拟信号进行周期性的扫描,把时间上连续的信号变成时间上离散的信号.

量化:

量化是把采样取得的电平幅值按照一定的分级标准转化为对应的数字值并且取整数,这样就把连续的电平幅值转化为了离散的数字量,实际上上面这两步分实质就是分割和转换

编码:

编码是把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

4.模拟数据调制为模拟信号

这种调制方式可以使用频分复用的技术,充分利用带宽资源

6.数据报与虚电路

数据报:

数据报是分组交换网络中实现数据传输的一种方式，它是在无连接的网络中传输的一个个独立的分组。每个数据报都单独选择路径以到达目的地。因此，数据报的大小、到达顺序可能不同，但每个数据报都独立于其他数据报。这种方式的优点是灵活性高，可以适应各种网络条件和业务需求。然而，由于每个数据报都需要单独处理和路由选择，因此可能会增加网络开销。

它有如下特点:

无连接：数据报在传输过程中不建立连接，每个数据报独立选择路径。
分组传输：数据报被分割成更小的数据分组进行传输。
到达顺序可能不同：由于每个数据报独立选择路径，因此到达目的地的顺序可能不同。
不保证可靠交付：数据报不保证数据的可靠交付，可能会丢失或重复。
适用于多种网络环境：数据报适用于各种网络条件和业务需求，可以适应不同网络节点的处理要求。

虚电路

虚电路是在分组交换网络中建立的一种逻辑连接，它可以在多个节点之间建立一条虚拟的连接路径，用于传输数据分组。虚电路的建立和维护是由网络协议自动处理的，因此用户不需要关心底层的网络细节。虚电路的优点是它可以提供可靠的通信服务，保证数据的顺序和完整性。然而，由于虚电路是通过协议建立和维护的，因此可能会增加网络开销和延迟。

它有如下特点: