计算机网络——物理层（信道&传输容量&传输媒体）

Posted 2021-07-24 江州益彤

一、数据通信系统的模型

1.1、一个数据通信系统包括三大部分：

1）源系统（或发送端、发送方）：包含原点和发送器
2）传输系统（或传输网络）
3）目的系统（或接收端、接收方）：接收器和终点

1.2、常用术语

数据 (data) —— 运送消息的实体。
信号 (signal) —— 数据的电气的或电磁的表现。
模拟信号 (analogous signal) —— 代表消息的参数的取值是连续的。
数字信号 (digital signal) —— 代表消息的参数的取值是离散的。
码元(code) ——使用时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

二、有关信道的几个基本概念

信道 —— 一般用来表示向某一个方向传送信息的媒体。

单向通信（单工通信）——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（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。
双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

计算机等数字设备中，“1”或“0”分别用高（或低）电平的电信号（方波形式）表示，方波固有的频带称为基带，方波电信号称为基带信号。
基带信号（即方波形式的信号）—— 来自信源的信号。像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
基带信号包含有较多的低频成分，而许多信道不能传输低频信号，基带信号也无法在模拟信道传输，分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制。

调制分为两大类：
1、基带调制（编码）：仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码 (coding)。
2、带通调制（转换为模拟信号）：使用载波 (carrier)进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号，这样就能够更好地在模拟信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道） 。
带通信号 ：经过载波调制后的信号。

2.1、常用编码方式

1、不归零制：正电平代表1，负电平代表0。
2、归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0。
3、曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表0，位周期中心的向下跳变代表1。但也可反过来定义。
4、差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。首位依照曼彻斯特编码，后位开始边界有跳变代表0，而位开始边界没有跳变代表1，后面依次执行。

从信号波形中可以看出，曼彻斯特 (Mancℎester) 编码和差分曼彻斯特编码产生的信号频率比不归零制高。
从自同步能力来看，不归零制不能从信号波形本身中提取信号时钟频率（这叫作没有自同步能力），而曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码能从连续的信号波形本身中提取信号位数。

2.2、基本的带通调制方法

基带信号无法在模拟信道传输，需要对基带信号进行调制 (modulation)。

最基本的二元制调制方法有以下几种：
调幅(AM)：载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频(FM)：载波的频率随基带数字信号而变化。
调相(PM)：载波的初始相位随基带数字信号而变化。

三、信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
信号传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重。
（电信号干扰明显，光信号抗干扰能力强）

3.1、理论上讲，影响信号在信道上的传输速率的因素有以下两个：

3.1.1、信道能够通过的频率范围

如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。

3.1.2、信噪比

3.2、香农公式

其中：
W为信道的带宽（以Hz为单位）；
S为信道内所传信号的平均功率；
N为信道内部的高斯噪声功率。

3.2.1、香农公式举例

香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。

只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。
若信道带宽W或信噪比S/N没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率C也就没有上限。

提高信道信息传输速率C的主要途径应该是提高信道带宽𝑾，提高信噪比𝑺/𝑵的空间已经不大，且其影响也较小。

四、物理层下面的传输媒体

定义：传输媒体也称为传输介质或传输媒介
传输媒体可分为两大类，即导引型传输媒体和非导引型传输媒体。
其中：
在导引型传输媒体中，电磁波被导引沿着固体媒体（铜线或光纤）传播。
非导引型传输媒体就是指自由空间。在非导引型传输媒体中，电磁波的传输常称为无线传输。

4.1、导引型传输媒体

4.1.1、双绞线

4.1.2、同轴电缆

4.1.3、光缆

光纤包括多模光纤与单模光纤

光纤优点
(1) 通信容量非常大。
(2) 传输损耗小，中继距离长。
(3) 抗雷电和电磁干扰性能好。
(4) 无串音干扰，保密性好。
(5) 体积小，重量轻。

4.2、非导引型传输媒体

1）将自由空间称为“非导引型传输媒体”。
2）无线传输所使用的频段很广。
3）短波通信（即高频通信）主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差，传输速率低。
4）微波在空间主要是直线传播。
5）传统微波通信有两种方式：
5.1）地面微波接力通信：特点是直线传播，一般距离在50km等
5.2）卫星通信 ：优点是距离远，缺点石油较大的时延

利用无线信道进行信息的传递，实在运动中的唯一方法

五、信道复用技术

复用 (multiplexing) 是通信技术中的基本概念。
它允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

频分复用、时分复用和统计时分复用、波分复用、码分复用

5.1、频分复用FDM(Frequency Division Multiplexing)

频分复用的所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

5.2、时分复用TDM(Time Division Multiplexing)

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。
每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM 帧的长度）。
TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

5.3、统计时分复用 STDM(Statistic TDM)

5.4、波分复用 WDM(Wavelength Division Multiplexing)

波分复用就是光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

5.5、码分复用 CDM(Code Division Multiplexing)

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰。
这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。