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接上一篇：计算机网络原理【五】之 数据链路层与局域网

一、数据通信基础

1.数据通信基本概念

消息：
人类能够感知的描述。
例如：眼镜看到的文字和图像；耳朵听到声音；鼻子闻到气味等。

信息：
消息中所包含的有意义的内容。

通信：
在一点精确或近似地再生另一点的信息。

通信系统：
能够实现通信功能的各种技术、设备和方法的总体，

信号：
信号是在通信系统中，信息在传输通道中传播的载体。

信道：
侠义信道：仅是指信号的传输介质。
广义信道：不仅是传输介质，而且包括通信系统中的一些转化装置。

2.数据通信系统模型

a.数据通信系统的构成

1. 信源：将消息转换为信号的设备。
2. 发送设备：将信源产生的信号进行适当变换的装置。
3. 信道：传输信号的媒介。
4. 接收设备：完成发送设备的反变换，即进行译码和解调。
5. 信宿：信号的终点，将信号转换为供人们识别的消息。
6. 噪声源：自然界和通信设备所固有的，对通信信号产生干扰和影响的各种信号。

b.模拟通信和数字通信

①模拟信号

自变量：可以连续的，可以离散的。
因变量：一定连续的。

②数字信号

自变量：离散的。
因变量：离散的。

c.数据通信方式分类

数据传输方向：单向通信、双向交替通信（半双工）和双向同时通信（全双工）

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数据传输时空顺序：并行通信和串行通信

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数据同步 技术：通信系统中实现收发两端动作统一，保持收发步调一致的过程。
异步通信：发送字符，不需建立同步时钟，实现简单，适用低速网络。
同步通信：发送数据块，双方建立同步时钟，实现复杂，适用高速网络。

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二、物理介质

1.导引型传输介质（有限信道）

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，传输效率高，部署不灵活。

a.架空明线

优点： 传输损耗较低

缺点：
1.易受天气和外界电磁干扰
2.对外界噪声敏感
3.带宽有限

b.双绞线

双绞线是指俩跟相互绝缘的铜线并排绞合在一起。

①双绞线的分类

屏蔽双绞线（STP）：性能好。价格高，安装工艺复杂。
非屏蔽双绞线（UTP）：使用更普遍。

②美国电子工业协会（EIA）规定了5个种类的非屏蔽双绞线（UTP）标准

UTP类别	带宽MHz	典型应用
3	16	低速网络，电话网络
4	20	10Base-T以太网
5	100	10Base-T以太网，100Base-T快速以太网
5E（超5类）	100	100Base-T快速以太网，1000Base-T千兆以太网
6	250	1000Base-T千兆以太网

c.同轴电缆

同轴电缆对外界干扰具有较好的屏蔽作用，具有较好的抗电磁干扰性能。目前多用于有限电视网络。

d.光纤

光纤的基本原理是利用了光的全反射现象。

①光纤的分类

按照光纤内广波传输模式的不同分为：
1.单模光纤
2.多模光纤

②光纤的优点

1. 光纤通信容量非常大，最高可达 100Gbit / s
2. 传输损耗小，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

2.非导引型传输介质 （无线信道）

为什么会用到非导引型传输介质？
当通信距离很远时，铺设电缆或光纤既昂贵又费时的时候，我们就需要利用『非导引型传输媒介了』。

非导引型传输介质是指电磁波在自由空间的传播。

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根据电磁波频率、通信距离与位置的不同，电磁波的传播可以分为：

电磁波传播方式	频率	距离地表高度	例子
地波传播	2MHz以下	沿地表	广播，声呐
天波传播	2-30MHz	距离地表60-400km	电话、传真
视线传播	高于30MHz	电离层之上	电视、GPS

三、信道与信道容量

1.信道分类与模型

a.信道

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。

b.广义信道的分类与组成

编码信道：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。
调制信道：数字信号由调制器输出端传输到解调器输入端经过的部分。

2.信道传输特性

不同类型的信道对信号的影响差异较大：
随机参数信道（随参信道）：信号通过信道发生畸变是时变的。
恒定参数信道（恒参信道）：信号通过信道发生畸变是恒定的。

a.随参信道传输特性：大部分无线信道（依靠地波和天波传播的无线电信道）

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

b.恒参信道传输特性：各种有限信道和部分无线信道（微波视线传播链路）

1. 对信号幅值产生固定的衰减
2. 对信号输出产生固定的时延

3.信道容量

a.基础概念

信道容量：信道无差错传输信息的最大平均信息速率。衡量信道的传输能力。

1. 信道的带宽是指能够有效通过该信道的信号的最大频带宽度。
   用码元速率（或符号速率）描述，单位是Baud。
2. 传输速率是信道单位时间内传输的码元（或符号）或信息的能力
   用传信率（或信息速率）来描述，单位是bit/s。

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b.连续信道容量（调制信道）

①奈奎斯特理想的，无噪声的信道容量

C = 2Blog₂M

PS:
C：信道容量，单位是 bit / s
B：信道带宽，单位是Hz
M：进制数，即信号状态数

指数运算	对数运算	说明
23 = 8	log28 = 3	2的多少次方等于8
24 = 16	log216 = 4	2的多少次方等于16
102 = 16	log10100 = 2	10的多少次方等于100
103 = 16	log101000 = 3	10的多少次方等于1000

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②香农有噪声连续信道容量

C = Blog₂（1 + $\frac{S}{N}$）

PS:
C：信道容量，单位是 bit / s
B：信道带宽，单位是Hz
S：输入信号功率
N：高斯白噪声的功率
$\frac{S}{N}$: 信噪比

补充：
信噪比的单位为功率，但是题目中一般给到的是分贝（dB），
分贝和功率的换算公式：
($\frac{S}{N}$)dB = 10log₁₀($\frac{S}{N}$)功率


如果想要记简单点的规则：
30dB = 1000
20dB = 100

四、基带传输

1.基带传输基本概念

基带信号：信源发出的没有经过调制的原始信号。

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基带传输：直接在信道传送基带信号。

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数字基带传输：在信道中传输数字基带信号。

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2.数字基带传输编码

a.将数据映射为脉冲信号的信号码：

绝对码：单极不归零码、双极不归零码、单极归零码、双极归零码
相对码：差分码

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①基础概念

单极和双极：
单极：脉冲幅值要么是正电平（或负电平），要么是零电平，只有一个极性。
双极：脉冲幅值既有正电平，又有负电平，俩个极性。

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归零和不归零：
不归零：在脉冲持续时间内，电平保持不变，且脉冲持续期结束时不必回归0电平。
归零：每个脉冲持续期的中间时刻，电平要回到零电平。

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②单极不归零码（Not Return to Zero, NRZ）

数字0：零电平表示。
数字1：正电平表示。

例如：1100100111

③双极不归零码：

数字0：负电平表示
数字1：正电平表示

例如：1100100111

④单极归零码（Return to Zero，RZ）

数字0：零电平表示
数字1：正电平表示。且脉冲持续时间中间时刻回归到零电平。

⑤双极归零码

数字0：负电平表示。且脉冲持续时间中间时刻回归到零电平。
数字1：正电平表示。且脉冲持续时间中间时刻回归到零电平。

⑥差分码（相对码）

利用电平的跳变与否来表示信息。
数字0：相邻电平无跳变。
数字1：相邻电平有跳变。

怎么判断有无跳变：
把当前脉冲时间的电平和前一个脉冲时间的电平做比较。
特别注意是电平比较，而不是数字比较

例如：1100100111（默认初始为零电平）

b.将数字基带信号的基本码型变换为适合传输的数字传输基带传输码

①信号交替反转码（Alternative Mark Inversion，AMI码）

用3种电平（正电平、负电平、零电平）进行编码
0：零电平表示
1：交替用正电平和负电平表示，且在脉冲持续的中间时刻回归零电平。

例如：100001000011000011

②双向码（Biphase Code）又叫曼彻斯特（Manchester）码

只有正负电平，脉冲持续时间的中间时刻都要进行电平跳变。
数字1：一个脉冲时间内，从正电平跳到负电平
数字0：一个脉冲时间内，从负电平跳到正电平

③差分双向码又叫差分曼彻斯特码

是双向码其中的一个码型。
1：相邻电平有跳变
0：相邻电平无跳变

例如：1100101101（默认初始为零电平）

④米勒码（Miller Code）：延迟调制码

1：正负或负正
11：交替编码
0：延续前面1的电平，正或负。脉冲期间不跳变。
00：前面正，后面负；前面负，后面正。
0后面的1：延续0的电平，正负或负正。

⑤信号反转码（Coded Mark Inversion，CMI码）

数字1：正、负，交替编码
数字0：一个脉冲时间内从负电平到正电平

例如：1100101101

五、频带传输

1.频带传输基本概念

基带信号，具有低通特性，可以用在低通特性的信道（有线信道）中进行传输。
无线信道，是带通特性。因此只能利用基带信号去调制与对应信道传输特性相匹配的载波信号。

数字调制：利用数字基带信号控制载波信号的特征参量，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换为数字通带信号的过程。
数字解调：在接收数据端需要将调制到载波信号中的数字基带信号卸载下来，还原为数字基带信号的过程。
数字频带传输系统：实现调制、传输与解调的传输系统。

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余弦函数：f(x)=cosx

幅值： 波峰到波谷的距离的一半
频率： 单位时间内完成周期性变化的次数
相位： 特定的时刻在它循环中的位置

数字调制的基本方法：

利用数字基带信号控制载波信号的某个（或某些）参数的变化。
（利用0或1控制载波的 幅值、频率或相位。）
幅移键控（ASK）：调制载波的幅值
频移键控（FSK）：调制载波的频率
相移键控（PSK）：调制载波的相位

2.频带传输中三种调试方式

a.二进制数字调制（数字通信系统频带传输的基本方式）

①二进制幅移键控（2ASK）

②二进制频移键控（2FSK）

③二进制相移键控（2PSK）

④小总结

⑤二进制数字调制性能

频带利用率：频移键控最低
误码率：相移键控误码率最低，幅移键控误码率最高。
对信道特性的敏感性：幅移键控最敏感。

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b.多进制数字调制

c.正交幅值调制QAM（幅值相位联合键控（APK））

正交幅值调制QAM的基本思想是二维调制技术，对载波信号的幅值和相位同时进行调制的联合调制技术。

正交幅值调制QAM的优点：频带利用率高；抗噪声能力强；调制解调系统简单；

六、物理层接口规程

1.物理层接口概述

a.物理层主要任务

1. 在传输介质上实现无结构比特流的传输。
2. 规定数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间接口的相关特性。

DTE: Data Terminal Equipment
DCE: Data Communication Equipment

2.物理层接口特性

1. 机械特性：指明通信实体间硬件连接口的机械特点。
   例如：常用的电源插头的尺寸。
2. 电气特性：规定了物理连接上，导线的电气连接及有关电路特性。
   例如：信号的电平。
3. 功能特性：指明物理接口各条信号线的用途等。
   例如：数据信号线、控制信号线
4. 规程特性：通信协议，指名利用接口传输比特流的全过程。
   例如：事件执行顺序。

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最后

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