第六章 物理层

数据通信系统

通信系统：实现信息传输的一切技术设备和传输介质

• 信源：将消息转换为信号
• 发送设备：通过编码和调制变换信号
• 信道
• 噪声
• 接收设备：通过译码和解调还原信号
• 信宿：信号转换为信息

模拟通信与数字通信

数字通信使用得更多
互相之间可以转换
模拟信号->数字信号：采样，量化，编码
反过来：解码，平滑

数据通信方式

• 单向通信：单工
• 双向交替通信：半双工
• 双向同时通信：全双工

计算机内部部件间：

• 并行通信：为一个字节的每一位设置一个传输通道，同时传送，速度快，造价高，不适合长距离，一般用于计算机内部元器件之间
• 串行通信：每一位依次传输，设备开销小，速度慢，用于鼠标键盘

同步技术：收发方动作统一，步调一致
异步式同步：

• 一次传输一个字符
• 每个字符设置起始位和停止位
• 无字符发送时，一直发停止位
• 实现简单
• 传输效率低，
• 适合低速数据传输
  同步式同步：
• 一次传输一个数据块
• 同样设置起始位和停止位
• 效率高，开销小
• 需要建立同步时钟，控制复杂
• 适合高度数据传输

物理介质

引导型传输介质

即有线信道

• 架空明线
  • 长距离150kHz，短距离 300
  • 优点：传输损耗低
  • 缺点：对外界噪声敏感，带宽有限
  • 已被淘汰
• 双绞线
  • 屏蔽双绞线 STP
    • 性能好
    • 价格高，工艺复杂
  • 非……UTP
    • 主要使用
  • 衰落随频率升高而增大，因此需要大振幅
  • 用于基带传输
• 同轴电缆
  • 外导体接地，屏蔽外界干扰
  • 主要用于有线电视网络
  • 其他场景已被双绞线替代
• 光纤
  • 利用光的全反射
  • 优点：
    • 信道容量大
    • 传输损耗小
    • 抗电磁干扰
    • 保密性好，不容易窃听
    • 体积小，重量轻
  • 发送与接收设备为：光调制器和光检测器

非引导型传输介质

无线信道

• 地波传播：沿地球表面传播，数百米
• 天波传播：利用大气电离层发射，4000km
• 视线传播：
  • 频率更高的电磁波穿透电离层，无法反射
  • 采用视线无障碍点对点直线传播，即利用卫星中继站和地面中继站
  • 理论上 3 颗卫星作为转发站，就能覆盖全球
• 声波传播：水下电磁波损耗较大，因此使用水声信道

信道

狭义信道：传输介质
此处信道为广义信道：

• 包括狭义信道与相关设备
• 划分为：
  • 编码信道
    • 生成数字信号
    • 位于编码器与译码器之间，调制器与解调器之外
  • 调制信道
    • 生成模拟信号
    • 根据信号畸变是否与时间有关分为
      • 随机参数信道
      • 恒定参数信道
• 又划分为：
  • 连续信道：模拟信号
  • 离散信道：数字信号

信道容量

信道无差错传输信息的最大平均速率

连续信道容量

对于无噪音的基带传输，最大频带利用率为 2Baud/Hz，即每赫兹来回一次

• 奈奎斯特公式：
  • 用于计算理想信道容量C，单位为 bit/s
  • 传输 M 进制基带信号
  • 带宽 B ，单位 Hz
  • C =2Blog2M
• 香农公式：
  • 有噪声连续信道容量C
  • 输入信号功率 S
  • 噪声功率 N
  • 信噪比 S/N，
    • 单位分贝 dB
    • （S/N）dB 的值为 10 * 功率的比值的 0 的数量，如 100 就是 20dB
  • C = Blog(1+S/N)，注意，此处为功率之比
  • 例题见 P225

基带传输

模拟（数字）信源发出模拟（数字）基带信号
通过信源编码可以将模拟基带信号转换为数字基带信号
数字信号在数字通信系统中传输有两种方式：

• 基带传输：
  • 直接在信道中传送基带信号
  • 适合在低通特性（允许低频信号通过）的有线信道中传输
• 频带传输

数字基带传输编码

利用脉冲信号的幅值编码
具体图片见 P226

频带传输

基带信号具有低通特性

• 模拟调制：利用数字基带信号调制载波
• 数字调制