物理层

本文详细介绍了通信系统模型,包括信源、变换器、信道、信宿及噪声源。讨论了模拟通信与数字通信的区别,强调数字通信的优势。接着探讨了信号带宽、信道的重要参数,如带宽和误码率。还涵盖了物理传输媒体,如双绞线、同轴电缆和光纤,以及无线传输媒体,如无线电波、微波和卫星通信。此外,文章还讨论了数字信号的编码、数字调制技术和模拟信号的脉码调制。最后,讲解了数据同步方式,如字符同步和位同步,以及多路复用技术,如频分多路复用和时分多路复用。

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数据通信基础

通信系统模型

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  • 信源: 将各种信息转换成原始物理信号,如计算机,手机,电话机等。
  • 变换器/反变换器: 对原始物理信号进行变换/反变换,以便适合在给定的信道上传输,如MODEM , TA(终端适配器) ,光/电转换器等。
  • 信道: 传输信号的一条通路。一条物理线路可构成一个或多个信道。
  • 噪声源: 信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰。如热噪声,闪电,电磁场干扰等。
  • 信宿: 将物理信号转换为信息,如计算机,手机,电话机等。

模拟通信与数字通信

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  • 模拟信号: 信号在传输过程中连续变化。
  • 数字信号: 信号在传输过程中离散变化。
  • 模拟通信: 通过模拟信号来传输数据。
  • 数字通信: 通过数字信号来传输数据。

数字通信的优点

  • 抗干扰能力强。
  • 适合远距离传输。
  • 有利于安全性。
  • 适合多媒体信息传输。

信号带宽

信号带宽: 信号能量所集中的频率范围(频谱) , 记为H。
    例如,语音信号占用的频谱为300~3400Hz,那么带宽为:
       H = 3400-300=3100Hz
对数字信号,带宽 H 可近似表示为:H =1/τ;τ为脉冲宽度;数据率越高, 脉宽越窄, 数字信号的带宽越大。

信道

信道

  • 信道:传输信号的一条通路。
  • 信道通常由物理传输介质和通信设备(如MODEM, 中继器等)组成。
  • 一条物理线路可同时复用多个信道。

衡量信道质量的两个重要参数:

  • 信道的带宽。
  • 信道的误码率。

信道带宽:

  • 信道带宽:信道允许传输信号的频率范围, 单位为Hz。如普通电话信道的带宽是4000Hz。
  • 对数字通信, 通常用数据率来表示带宽。数据率: 信道每秒最多传输的二进制位数, 单位为bps。

波特率:

  • 波特率又称码元速率, 是指每秒传输码元的数目, 单位为波特(Baud) 。
  • 若码元的离散取值数目为L, 波特率为B, 数据率为C, 则:C = B log2 L

误码率:
误码率:数字信号比特(二进制位) 在传输过程中出错的概率。
P = Ne/N
其中, P为误码率; Ne为出错的比特数; N为传输的总比特数。

信道的通信方向:
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  • 单工信道
    只允许数据信号在信道上的单向传输。 如:无线电广播, 电视。
  • 半双工信道
    数据信号可以在信道上双向传输, 但同一时刻只允许单向传输。如:无线对讲机。
  • 全双工信道
    允许数据同时双向传输。 如:计算机通信。

物理传输媒体(通信介质)

双绞线:

  • 非屏蔽双绞线(UTP)
    在这里插入图片描述
  • 屏蔽双绞线(STP)
    在这里插入图片描述

同轴电缆
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光纤
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无线传输媒体

无线传输以自由空间作为传输媒体,主要包括无线电波、微波、卫星通信、激光、 红外线

无线电波的传播特性

  • 低中频
    能够绕过障碍物(绕射) ;
    能量随距离增加而急剧减少, 传输距离有限。
  • 高频和甚高频
    能量会被地表吸收;
    但能通过电离层反射。
  • 超高频和特超高频(微波)
    只能直线传播;
    既不能绕射也不能反射。

微波

  • 微波频率大致为1GHz — 100GHz
  • 用于无线局域网的微波频率范围为:
    2.4GHz — 2.484GHz
    5.725GHz — 5.825 GHz
    18.825GHz — 19.205GHz
  • 微波通信必须要有微波中继站: 100m高, 相距小于80km

卫星通信

  • 卫星通信是一种特殊的微波通信, 同步通信卫星作为微波中继站
  • 与地面中继站相比, 卫星的通信距离远, 从理论上讲, 三个同步卫星就能覆盖整个地球表面。
  • 卫星通信的特点
    (1) 传输延迟长达270ms。
    (2) 通信费用与距离无关。
    (3) 抗干扰能力差, 甚至雨水也能吸收微波能量 。

数字信号的编码

数字信号的编码:用何种物理信号来表示“0” 和“1” 。

非归零编码
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  • 优点: 编/译码简单。
  • 缺点: 内部不含时钟信号, 收/发端同步困难。
  • 用途: 计算机内部, 或低速数据通信。

曼彻斯特编码
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  • 优点:
    内部自含时钟, 收/发端同步容易。
    抗干扰能力强。
  • 缺点:
    编/译码较复杂。
    占用更多的信道带宽, 在同样的波特率的情况下, 要比非归零编码多占用一倍信道带宽。
  • 用途: 802.3局域网(以太网)

差分曼彻斯特编码
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  • 优点:
    内部自含时钟, 收/发端同步容易。
    比曼彻斯特编码的抗干扰能力更强。
  • 缺点:
    编/译码更复杂。
    同样需要多占用一倍信道带宽。
  • 用途: 802.5局域网(令牌环网)

数字调制技术

数字信号的模拟传输
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  • 基带信号: 由信源产生的原始电信号。
  • 载波: 频率较高的正弦波信号。
  • 调制: 将基带信号加载到载波上, 即按基带信号的变化规律去改变载波的某些参数(振幅、 频率、 相位) 。
  • 解调: 从载波中提取基带信号。

调制技术

  • 调幅:用载波信号不同振幅表示数据,, 又称幅移键控法ASK。
    易受突发干扰, 适合低速数据传输, 典型为1200bps。
  • 调频: 用载波信号不同频率表示数据, 又称频移键控法FSK 。
    抗干扰优于调幅方式, 但频带利用率不高。
  • 调相:用载波信号不同相位表示数据, 又称相移键控法PSK。
    抗干扰能力强,数据率较高,可达9600bps。
    在这里插入图片描述实际调制/解调器通常将调相技术和调幅技术相结合

模拟信号的脉码调制

模拟信号的数字传输:模拟信号转化为数字信号,然后通过数字信道传输。
在这里插入图片描述
脉码调制
脉码调制(PCM)是最常用的数/模转化技术。
脉码调制步骤: 采样、量化、编码

  • 采样:按照一定的时间间隔测量模拟信号幅值 。
  • 量化:将采样点测得的信号幅值分级取整
  • 编码:将量化后的整数值用n位二进制数表示

数据同步方式

同步:接收端按照发送端发送代码的频率和起止时间来接收数据。
数据同步方式主要有两种:字符同步和位同步。

  • 字符同步方式(异步通信) :仅针对一个字符内所含的二进制位进行同步。
    在这里插入图片描述
    优点: 时钟漂移被限制在一个字符内, 不会产生太大的积累误差。 因此对同步精度要求不高, 同步容易。
    缺点: 每个字符均有起始/停止位, 因而传输效率较低。
    适用: 低速通信。
  • 位同步(同步通信) :针对一个数据块内所含的二进制位进行同步。
    同步位模式: 通常为“01111110”, 标志一个数据块的开始和结束。
    优点: 每个数据块仅需要2个同步位模式的额外开销, 因而传输效率高。
    缺点: 由于一个数据块所含位数较多, 易产生时钟漂移积累误差而导致数据出错, 因此对同步精度求高, 同步困难
    适用: 高速通信。
    实现位同步的两种方法:
    外同步: 为发送端和接收端提供专门的同步时钟信号。
    内同步: 不单独发同步时钟信号, 而是将同步信号嵌入数据编码内部, 如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。

多路复用技术

多路复用: 将多个信道复用在一条物理线路上, 使一条物理线路能够同时传输多路数据信号。
多路复用技术分类: 频分多路复用(FDM)、 时分多路复用(TDM)、统计时分多路复用(统计TDM)

  • 频分多路复用:将一条物理线路的总带宽分割成若干个较小带宽的子信道,每个子信道传输一路信号。
    子信道分割技术: 将不同信号加载到不同载波上, 实现信号频移。
    频分多路复用的典型应用: 电话中继线。
  • 时分多路复用: 将一条高速物理线路的传输时间划分成若干相等的时间片, 轮流的为多路信号使用 。
    缺点: 没有数据传输的低速线路仍分配时间片, 可能出现空闲的时间片, 浪费信道带宽。
    时分多路复用的典型应用: T1信道。
  • 统计时分多路复用: 采用动态分配时间策略, 即有数据要传输的线路才分配时间片
    优点: 不会出现空闲的时间片, 信道利用率高。
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