网络及其计算
第一章 概述
title: 数据通信基础与物理层
date: 2019-10-20 15:44:18
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categories: 网络及其计算
通信系统模型
ex:
- 信源：将各种
信息转换成原始物理信号（如计算机、手机、电话机等） - 信宿：将
物理信号->信息(如计算机、手机、电话机等） - 信道：传输
信号的一条通路 - 变换器 / 反变换器：对原始
物理信号进行变换 / 反变换，适合在给定信道上传输（如光 / 电转换器等） - 噪声源：信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰（如热噪声、闪电、电磁场干扰等）
模拟通信与数字通信
- 模拟信号：信号在传输过程中
连续变化 - 数字信号：信号在传输过程中
离散变化- 优点：
- 抗干扰能力强
- 适合远距离传输
- 有利于安全性
-
适合多媒体信息传输
ex:
信号带宽 (H)
信号能量 所集中的 频率范围，记为H。
H = 4000 - 3200 = 800
信道带宽
- 信道允许传输信号的频率范围，单位为Hz。
例：语音信号占用的频谱为300~3400Hz，那么带宽为:
H = 3400 - 300 = 3100Hz
- 信道：传输信号的一条通路
一条物理线路可同时服用 多个 信道 - 信号率：
- 数据率：信道每秒最多传输的二进制位数，单位为bps
信道带宽与数据率的关系
奈奎斯特定理 (无噪声信道)
C = (bps)
C 为信道的数据率（容量）；H为信道带宽；L为数字信号的离散取值数目
**香农定理 (有噪声信道，L不受限) **
C = (bps)
S为信号功率，N为噪音功率，S/N为信噪比
例：H = 4000Hz，S/N = 1023，L = 8；求C
(1) 由奈奎斯特定理：
C = = 2 *
= 24000 (bps)
(2) 由香农定理：
C = =
= 40000bps
所以信道最大数据率为24000bps
波特率
又称码元速率，是指每秒传输码元的数目，单位为波特(Baud)
若码元的离散取值数目为L，波特率为B，数据率为C，则：
C =
数字信号的编码
数字信号的编码：用何种物理信号来表示“0”和“1”
非归零编码(NRZ)
ex:
以
高电平表示0，低电平表示1，反之亦然。优点：编 / 译码简单
缺点：内部不含
时钟信号，收 / 发端同步困难用途：计算机内部或低速数据通信
曼彻斯特编码
ex:
每一次中间有一次跳变，既表示
数据，又作为同步信号从高电平 -> 低电平表示
0，从低电平 -> 高电平表示1优点：
内部自含
时钟，收 / 发端同步容易抗干扰能力强
缺点：
编 / 译码较复杂
占用更多的信道带宽，在同样的波特率的情况下，要比非归零编码多占用一倍
信道带宽用途：802.3局域网（以太网）
差分曼彻斯特编码
每一位中间有一次跳变，但这种跳变
仅作为同步信号，不表示数据数据值通过每位开始时有无跳变来表示；有跳变表示0，无跳变表示1优点：
内部自含
时钟，收 / 发端同步容易比曼彻斯特编码的
抗干扰能力更强缺点：
编 / 译码较复杂
同样需要多占用一倍
信道带宽用途：802.5局域网（令牌环网）
数据同步方式
同步：接收端按照发送端发送代码的频率和起止时间来接收数据。
同步方式主要有两种：
字符同步（异步通信）
仅针对一个字符内所含的二进制位进行同步
优点：时钟漂移被限制在一个字符内，不会产生太大的积累误差。因此对同步精度要求不高，同步容易。
缺点：每个字符均有起始/停止位，因而传输效率较低
适用：低速通信
位同步（同步通信）
针对一个数据块内所含的二进制位进行同步
优点：每个数据块仅需要2个同步位模式的额外开销，因而传输效率高
缺点：由于一个数据块所含位数较多，易产生时钟漂移积累误差而导致数据出错，因此对同步精度求高，同步困难。
例:设数据块为1K字节，则每次连续同步位数为1024x8=8192位。
实现同步的两种方法：
外同步：为发送端和接收端提供专门的同步时钟信号
内同步：不单独发同步时钟信号，而是将同步信号嵌入数据编 码内部， 如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。
多路复用技术
将多个信道复用在一条物理线路上，使一条物理线路能够同时传输多路数据信号
分类：
频分多路复用 (FDM)
将一条物理线路的总带宽分割成若干个较小带宽的子信道，每个子信道传输一路信号。
时分多路复用 (TDM)
将一条高速物理线路的传输时间划分成若干相等的时间片，轮流为多路信号使用
数据不丢失条件：
CH 为高速线路容量（数据率）
Ci 为低速线路容量
缺点：没有数据传输的低速线路仍分配时间片，可能出现空闲的时间片，浪费信道带宽
**统计时分多路复用 (统计TDM) **
采用动态分配时间策略，即有数据要传输的线路才分配时间片
允许 CH < sum(Ci)
优点：不会出现空闲的时间片，信道利用率高
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