物理层

数据通信基础

一、数据通信基本概念

1. 消息与信息

信息是对事物状态或存在方式的不确定性表述。将人类能够感知的描述称为消息。

 

2. 通信

通信的本质就是在一点精确或近似地再生另一点的信息。

 

3. 信号

在通信系统，特别是电通信系统中，传递信息需要有适合的载体在传输通道中传播，这样的载体称之为信号，通常以电磁或光的形式存在，并利用电压、电流、频率、相位等物理量的变化来表示信息。

 

4. 数据

数据是对客观事物的性质状态以及相互关系等进行记载的符号及其组合，通常可以是数字、文字、图像等，也可以是其他抽象的符号。

 

5. 信道

信道是信号传输的介质，或信道是以传输介质为基础的信号通道。

 

二、数据通信系统模型

1. 数据通信系统的构成

任何一种通信系统的核心都应该包括信源、发送设备、信道、接收设备、信宿和噪声源等部分。

各部分的功能如下：

（1）信源：将消息转化为信号的设备，如电话机、摄像机、计算机等。

（2）发送设备：将信源产生的信号进行适当的变换的装置，使之适合于在信道中传输。变换的方式主要包括编码和调制。

（3）信道：信号传输的媒介，总体上可以分为有线信道和无线信道两大类，具体的类型包括双绞线、同轴电缆、光纤、大气层、外层空间等。

（4）接收设备：完成发送设备的反变换，即进行译码和解调，还原原始的发送信号。

（5）信宿：信号的终点，并将信号转换为工人们能识别的消息。

（6）噪声：自然界和通信设备中所固有的，对通信信号产生干扰和影响的各种信号。噪声对通信系统是有害的，但又无法完全避免。

 

2. 模拟通信和数字通信

通信系统根据信号种类可分为模拟通信系统和数字通信系统，其区别在于信道中传输的是模拟信号还是数字信号。所谓模拟信号是指信号的因变量完全随连续消息的变化而变化的信号。模拟信号的自变量可以是连续的，也可以是离散的。数字信号是指表示信息的因变量是离散的，自变量时间的取值也是离散的信号。

 

3. 数据通信方式

单向通信又称单工通信，即任何时间都只能有一个方向的通信，而没有反方向的交互。双向交替通信又称半双工通信，这种通信方式往往是一方发送另一方接收。双向同时通信又称全双工通信。

并行通信是为一个字节的每一位（bit）都设置一个传输通道，全部位（bit）同时进行传送。串行通信只为信息传输设置一条通道，数据的一个字节中每一位（bit）依次在这条通道上传输。

 

物理介质

一、引导型传输介质

引导性传输介质，又可称为有线信道，以导线为传输介质，信号沿导线进行传输，信号的能量集中在导线附近，因此传输效率高，但是部署不够灵活。这一类信道使用的传输介质包括用电线传输电信号的架空明线、双绞线电缆、同轴电缆、光纤等。

1. 架空明线

架空明线是指平行且相互分离或绝缘的架空裸线线路，通常采用铜线或铝线等金属导线。

 

2. 双绞线

将两根相互绝缘的铜线并排绞合在一起可以减少对相邻导线的电磁干扰，这样的一对线称为双绞线。

 

3. 同轴电缆

同轴电缆由同轴的两个导体构成，外导体是空心圆柱形网状编织金属导体，内导体是金属导线（通常为铜线），两者之间填充绝缘实心介质。

 

4. 光纤

光纤的基本原理是利用了光的全反射现象。光纤是由两种折射率不同的导光介质复合纤维制成，内层（纤维中心）称为纤芯，纤芯外包另一种折射率的介质，称为包层。

光纤与其他传输介质相比拥有很多优点：

（1）光纤通信容量非常大，最高可达 100Gbit/s。

（2）传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

（3）抗雷电和电磁干扰性能好。

（4）无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

（5）体积小，重量轻。

 

二、非导引型传输介质

我国的无线电频率规划与管理目前由工信部无线电管理局负责。

电磁波的传播可以分为：

（1）地波传播。频率较低（2MHz以下）的电磁波趋于沿地球表面传播，有一定的绕射能力，这种传播方式称为地波传播。

（2）天波传播。利用电离层反射的传播方式称为天波传播。

（3）视线传播。

 

信道与信道容量

一、信道的概念与分类

信道是通信系统中连接发送端与接收端的通信设备，实现从发送端到接收端的信号传送。信道的定义区分为广义信道和狭义信道。狭义信道即为信号传输介质；广义信道包括信号传输介质和通信系统的一些变换装置。按照功能划分，可以将广义信道划分为调制信道和编码信道两类。

1. 调制信道

调制信道是指信号从调制器的输出端传输到解调器的输入端经过的部分。调制信道、输入信号、输出信号存在以下特点：

（1）信道总具有输入信号端和输出信号端。

（2）信道一般是线性的，即输入信号和对应的输出信号之间满足线性叠加原理。

（3）信道是因果的，即输入信号经过信道后，相应的输出信号响应具有延时。

（4）信道使通过的信号发生畸变，即输入信号经过信道后，相应的输出信号会发生衰减。

（5）信道中存在噪声，即使输入信号为零，输出信号仍然会具有一定功率。

 

2. 编码信道

编码信道是指数字信号由编码器输出端传输到译码器输入端经过的部分，包括其中的所有变换装置与传输介质。编码信道可分为无记忆编码信道和有记忆编码信道。

 

二、信道的传输特性

随参信道的共同特点是：

（1）信号的传输衰减随时间随机变化。

（2）信号的传输时延随时间随机变化。

（3）存在多径传播现象。

 

基带传输

一、基带传输的基本概念

直接在信道中传送基带信号，称为基带传输，实现基带传输的系统称为基带传输系统。

数字基带传输系统的输入是由数字信源发出的数字基带信号或者是模拟信源发出的模拟基带信号经过信源编码后得到的数字基带信号。

 

二、基带传输的信号码型

数字基带信号码型有很多种，比较多见的是利用矩形脉冲信号的幅值编码二进制数字数据，包括单极不归零码（NRZ）、双级不归零码、单极归零码（RZ）、双级归零码、差分码和多元码等。

 

频带传输

一、频带传输基本概念与系统结构

利用模型基带信号调制载波，称为模拟调制；利用数字信号调制载波，称为数字调制。计算机网络以数字通信为主，因此以下主要介绍数字调制。数字调制就是利用数字基带信号控制（或影响）载波信号的某些特征参量，使载波信号的这些参量的变化反映数字基带信号的信息，进而将数字基带信号变化为数字通带信号的过程。

数字调制系统基本结构：

 

二、频带传输的二进制数字调制方法

二进制数字调制包括3种基本调制：二进制幅移键控（2ASK）、二进制频移键控（2FSK）和二进制相移键控（2PSK）。

1. 二进制幅移键控

二进制幅移键控（2ASK）就是利用二进制基带信号控制载波信号的幅值变化，即根据二进制基带信号电平的高低，控制载波信号选择两种不同的幅值。

 

2. 二进制频移键控

二进制频移键控（2FSK）相当于选择两个不同频率的载波，f1和f2，在进行2FSK调制时，根据二进制基带数字信号控制或选择输出一段频率为f1或f2载波信号。

 

3. 二进制相移键控

与2ASK和2FSK不同，二进制相移键控（2PSK）是利用二进制基带信号控制载波信号的相应变化，即根据二进制基带信号电平的高低，控制载波信号选择两种不同的相位。

 

4. 二进制差分相移键控

二进制差分相移键控（2DPSK）是利用相邻两个码元载波间的相对相位变化表示数字基带信号的数字信息，因此又称为相对相移键控。

 

物理层接口规程

一、DTE和DCE的概念

物理层接口协议主要是解决主机、工作站等数据终端设备与通信线路上通信设备之间的接口问题。按照ISO的术语，将这两种设备分别称为数据终端设备（DTE）、如计算机，以及数据电路端接设备（DCE），如调制解调器。

 

二、典型物理层接口规程

物理层接口规范的定义包含4个特征，涉及对于信号、接口和传输介质等特性的规定，具体有：机械特性、电气特性、功能特性以及规程特性。