第3章 物理层_信道和调制

Posted 2020-09-20 浅墨浓香

3. 信道和调制

3.1 信道

（1）信道：信息传输的通道，即信息传输时所经过的一条通路，信道的一端是发送端，另一端是接收端。

（2）一条传输介质上可以有多条信道（多路复用）。如通过频分复用技术，将一条物理线路划分为两个信道。于对信道1，A是发送端，B是接收端；对于信道2，B是发送端，A是接收端。ADSL技术中将同一条电缆分出下载信道比上传信道多，这也是导致下载比上传带宽更大的原因。

3.2 单工、半双工以及全双收通信

（1）单工通信：又称为单向通信，即信号只能向一个方向传输，任何时候都不能改变信号的传输方向。（如无线广播）

（2）半双工通信：又称为双向交替通信，信号可以双向传送，但必须交替进行，一个时间只能向一个方向传。（如对讲机）

（3）全双工通信：又称为双向同时通信，即信号可以同时双向传送（如打电话）。可以查看和配置网卡的双工模式：网卡→“属性”→“网络”→“配置”→“高级”→“速率和双工模式(Speed&Duplex)”。当计算机接到集线器上是工作在半双工模式，接到交换机上可以设置为全双工模式，一般不需要手工指定，因为计算机会自动协商。

3.3 调制

（1）调制的分类

　　①基带调制：对基带信号（来自信源的信号）的波形进行变换，使它能与信道特性相适应。变化后信号仍然是基带信号。由于这种技术是把数字信号转换成另一种形式的数字信号，这种过程也称为编码（coding）

　　②带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。

 

（2）常见的编码方式

  A.不归零制

　　①正电平代表1，负电平代表0.

　　②是效率最高的编码，但接收端必须设置一个与接收端完成同步的时钟。否则如果发送端发送连续的0或1，接收端不容易判断码元的边界。

  B.归零制

　　①码元之间信号回归到零电平，每传输完一位数据，信号返回零电平。即信号线上有三种电平：正电平、负电平和零电平。

　　②这种信号是自同步的，接收者只要在信号归零后采样即可，可以节省时钟数据线。

　　③其主要缺点是大部分的数据带宽都浪费在传输“归零”信号。

  C.曼彻斯特编码

　　①每一位的中间都有一个跳变，从低到高跳变表示0，从高到低跳变表示1，常用于局域网传输。

　　②每位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号，而且不存在直流分量。因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。

　　③每一个码元都被调制成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。使用该种编码1比特需要两个码元(低电平和高电平)。

  D.差分曼彻斯特编码

　　①这种编码要做两个动作：第1个动作是判断是否要改变极性（遇0时改变极性，遇1时保持极性）。第2个动作就是每位的中间产生一个跳变。画差分曼彻斯特波形中给出初始波形。

　　②差分曼彻斯特编码比曼彻斯特编码的变化要少，因此更适合于传输高速的信息，被广泛应用于宽带高速网中。

　　③由于每个时钟位都有一次变化，与曼彻斯特编码一样，效率仅可达50%。使用差分曼彻斯特编码1比特也需要两个码码。

（3）常见的带通调制方法

　　A. 调幅（AM）：载波的振幅随基带数字信号而变化。1或0对应于有无载波输出。

　　B. 调频（FM）：载波的频率随基带数字信号而变化。1或0对应于两个不同的频率。

　　C. 调相（PM）：载波的初始相位随基带数字信号而变化。1或0对应于相位180度或0.

3.4 信道极限容量

（1）信道带宽

　　①信道带宽的计算：信道带宽 = 能够通过的最高频率 – 最低频率

 

　　②受信道带宽影响下的数字信号

 

（2）奈氏准则(数字信号)：用来计算码元的最高传输速率

　　①在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，单位时间通过的码元越多，意味着码元之间的“间隙”越小。当传输速率太大时，可能会出现码间串扰的问题，使接收端对码元识别能为不可能。

　　②如果信的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那就可以使用更高速率传输码元而不出现码间的串扰。

　　③奈氏准则：  理想低通信道的最高码元传输速率 = 2×W (单位：Baud波特)

　　　　　　　　其中：W是理想低通信道的带宽，单位Hz。

　　④由奈氏准则可知，对于某种传输介质，其最高码元的传输速率是固定的（可理解为下图中单位时间内能传输的数字信号波形的最大数量是固定的）。

 

（3）数据的最高传输速率

　　①由于最高码元传输速率是固定的，为了提高数据的最高传输速率，可以让每个码元携带更多比特的信息量（如1个码元承载1、2、3…等比特的信息）。如下图，假如同样是16V电压，当1码元携带3比特信息时，接收方只能感受到8种不同的电压变化，但如果1码元携带4比特时，就可以有16种变化）

 

　　②噪声对数据传输速率的影响

　　在电压范围一定的情况下，16进制码元波形之间的差别要小于8进制码元的波形，因此前者更容易受噪声干扰而不易识别。在信道噪声一定的情况下，可以通过提高传送信息的平均功率（如将电压提高到原来的2倍）来增大识别能力。这样也就提高了信道的最高数据传输速率。

　　③香农公式（模拟和数字信号）： 信道的极限信息传输速率C = W×log₂(1+S/N)  (单位：b/s)

　　　　A.其中：W为信道的带宽（影响码元的传输速率），S为信道内所传信号的平均功率（如上图中的电压），N为信道内部的高斯噪声功率。

　　　　B.香农公式表明：信道的带宽或信道中的信噪比（=10log10(S/N)，单位dB）越大，信息的极限传输速率就越高。

　　　　C.香农公式的意义在于：只要信息传输速率低于C，就一定可以找到某种办法来实现无差错的传输。