通信基础

基本概念

• 数据：传送信息的实体
• 信号：数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式
• 模拟信号(或数据)：连续变化的信号（或数据）
• 数字信号(或数据)：取值为有限的几个离散数值的信号（或数据）
• 调制：把数据变换成模拟信号的过程
• 编码：把数据变换成数字信号的过程
• 码元：用一个固定时长的信号波形或数字脉冲表示一个k进制的数字，这个时长内的信号称为k进制码元，该时长称为码元宽度
• 基带信号：没有经过调制的原始信号，特点是频率低。分为数字基带信号和模拟基带信号
• 宽带信号：将基带信号进行调制形成的模拟信号，特点是频率高

定理

奈奎斯特定理

• 在理想低通（没有噪声，带宽有限）的信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为2W波特，其中W为理想低通信道的带宽

香农定理

• 带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限数据传输速率为：Wlog₂(1+S/N) （单位为bps，W为信道的带宽，S为信道所传输信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率，计算时S/N为不带dB的数值，例如S/N=30dB，则要将1000代入计算）

采样定理

假设原始信号中的最大频率为f_max，要使采样后的数字信号完整保留原始信号的信号，那么采样频率必须满足：f_采样 ≥ f_max

编码与调制

数字数据 -> 数字信号

• 归零编码（RZ）：在每个时钟周期的中间均跳变到低电平，接收方根据该跳变调整自身的时钟基准来达到同步的目的，但归零需要占用部分带宽
• 非归零编码（NRZ）：整个时钟周期均用于传输数据，但双方难以同步，需要双方都有时钟线
• 反向非归零码（NRZI）：用信号的翻转表示0，信号保持不变表示1，既能传输时钟信号，又能尽量不损失带宽。被用于USB2.0
• 曼彻斯特编码：二进制符号1用一个(+，-) 脉冲序列表示，二进制符号0用一 个(-，+)脉冲序列表示，每个脉冲是码元宽度的一半。被用于以太网中
• 差分曼彻斯特编码：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同。若码元为0，则相反。常用于局域网中
• 4B/5B编码：将欲发送的数据流的每4位作为一组，按照4B/5B编码规则将其转换成相应的5位码。5位码共用32中组合，但只采用其中的16种对于16位不同的4位码，其它16位作为控制码

数字数据 -> 模拟信号

• 幅移键控（ASK）
• 频移键控（FSK）
• 相移键控（PSK）：分为绝对调相和相对调相
• 正交振幅调制（QAM）：在频率相同的前提下，将ASK与PSK结合起来，形成叠加信号

模拟数据 -> 数字信号

• 脉冲编码调制（PCM）：采样（满足采样定理） -> 量化 -> 编码

模拟数据 -> 模拟信号

• 为了实现传输的有效性，可能需要更高的频率；或者频分复用（FDM）来充分利用带宽。例如电话机和本地局交换机采用模拟信号传输模拟数据的调制方式

传输介质

有线传输介质

双绞线

• 由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰
• 根据有无屏蔽层（可进一步提高抗电磁干扰的能力），又分为屏蔽双绞线（Shielded Twisted Pair，STP）和无屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，UTP）
• 双绞线的带宽取决于铜线的粗细和传输的距离。
• 传输距离为几千米到数十千米。当距离过远时，对于模拟传输，用于放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形
• 由于价格便宜，在局域网和传统电话网中普遍使用

同轴电缆

• 由内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料外壳构成
• 按特性阻抗数值的不同，分为50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。50Ω同轴电缆主要用于传输数字基带信号，又称基带同轴电缆；75Ω同轴电缆主要用于传输宽带信号，又称宽带同轴电缆
• 由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆具有良好的抗干扰特性，被广泛用于传输较高速率数据，传输距离更远，价格也较双绞线更贵

光纤

• 主要由纤芯和包层构成，包层较纤芯有较低的折射率，当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质，其折射角将大于入射角。因此只要入射角大于某个临界角度，就会出现全反射，即光线碰到包层就会折射回纤芯，这个过程不断重复，光也就沿着光线传输下去
• 利用光的全反射特性，可以将不同入射角度的多条光线在一根光纤中传输，这种光纤称为多模光纤，光源为发光二极管。光脉冲在多模光纤传输中会逐渐展宽，造成失真，因此只适合近距离传输
• 当光纤的直径减小到只有一个光的波长时，光纤就会像一根波导那样一直向前传播，这种光纤就是单模光纤，其光源为定向性很好的半导体激光器，衰减很小，适合远距离传输

无线传输介质

• 电磁波频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力也越强。但是低频段的频率资源紧张，系统容量有限，因此低频段的无线电波主要应用于广播、电视、寻呼等系统。
• 高频段频率资源丰富，系统容量大。但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，绕射能力越弱。另外，频率越高，技术难度也越大，系统的成本相应提高。

无线电波

• 频率在30GHz以下的电磁波

微波、红外线和激光

• 视距传播

物理层接口

• 机械特性：接口形状、尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置
• 电气特性：接口电缆的各条线上的电压范围
• 功能特性：指明某条线上某一电平的电压表示何种意义
• 过程特性（规程特性）：知名对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
• 常用的物理层接口标准有EIA RS-232-C、ADSL和SONET/SDH等

物理层设备

中继器

• 中继器仅作用于信号的电气部分，有两个端口，信号从一个端口输入，将信号整形并放大后再从另一个端口转发出去
• 原理是信号再生，而非简单的将衰减的信号放大
• 放大器和中继器都起放大作用，而放大器放大的是模拟信号，原理是将衰减的信号放大
• 5-4-3规则：因为网络标准中对信号的延迟范围做了具体的规定，因而在采用粗同轴电缆的10BASE5以太网规范中，互相串联的中继器的个数不能超过4个，而且用4个中继器串联的5段通信介质中只有3段可以挂接计算机，其余2段只能用作扩展通信范围的链路段

集线器

• 实质是一个多端口的中继器，一个端口接收到信号后，对该信号进行整形放大后再从除该端口外的所有端口转发出去。如果同时有多个端口输入将会产生冲突，致使这些数据均无效。