计算机网络(7)—

1.数据通信基础

1.1 物理层基本概念

物理层(Physical Layer)是所有网络通信的物理基础，它定义了在物理介质上传输原始比特流(0和1)所需的机械、电气、功能、过程和规程特性在这里插入图片描述

1.2 数据通信系统模型

信源：生成原始数据的终端设备，常见形态包括：
数字设备：计算机、手机
模拟设备：麦克风、摄像头

发送设备：负责将原始信息转换为适合传输的信号形式，主要的功能有编码和调制

信道：信息传输的媒介或路径，通常分为：
物理信道：指实际的传输介质，如光纤、电缆
逻辑信道：指在物理信道上通过协议或技术划分的虚拟通道，如时分复用(TDM)或频分复用(FDM)形成的子信道

噪声源：自然界和通信设备所产生的干扰

接收设备：负责从传输介质中恢复原始信息，主要的功能有解码和解调

信宿：数据接收终端，将信息转换为供人们能识别的消息。典型设备如显示器、打印机等

1.3 常见数据通信术语

数据(data)：传送消息的实体，如文本、音频、视频等

信号(signal)：指通过传输介质(如电缆、光纤或无线信道)传递的电磁波或光波，用于承载数据。信号可分为两大类

模拟信号(Analog Signal)：是连续变化的波形，通常用幅度、频率或相位的变化表示信息。例如传统电话线传输的语音信号
数字信号(Digital Signal)：是离散的二进制序列(0和1)，通过脉冲或电平变化表示数据。例如以太网或Wi-Fi传输的数据包

载波(Carrier Wave)：是一个特定频率的高频电磁波(通常是正弦波)，其核心作用是充当“运输工具”，用来“搭载”或“运载”我们需要传输的信息信号(如语音、音乐、数据、图像等)

你可以把它想象成一列空载的火车(载波)，我们需要把货物(信息信号)装到这列火车上，才能有效地把货物运送到远方(接收端)

数据通信方式：

单工：数据只能单向传输，一方固定为发送端，另一方为接收端。例如广播、电视信号
半双工：数据可双向传输，但同一时间只能单向传输。例如对讲机
全双工：数据可同时双向传输。例如电话通信、现代以太网和TCP/IP协议

并行通信：通过多条数据线同时传输多个数据位，每个时钟周期可传输一个完整的数据字(如8位、16位)
串行通信：通过单条数据线逐位传输数据

同步通信：要求发送方和接收方在通信过程中保持时间上的严格同步。发送方发送数据后，需等待接收方的响应或确认，才能继续下一步操作
异步通信：发送方发送数据后无需等待接收方响应，可继续执行其他任务。接收方通过回调、事件通知等方式处理数据

1.4 信源编码PCM

Question：如果信源产生的是模拟信号，如何在数字通信系统中传输？

脉冲编码调制(Pulse Code Modulation，PCM)是一种将模拟信号转换为数字信号的信源编码技术。其核心过程包括采样、量化和编码三个步骤

采样(Sampling)：用一系列在时间上离散的采样值，代替时间上连续的模拟数据，即实现时间上的离散化
量化(Quantization)：使采样值在取值上离散化
编码(Encoding)：将量化后的采样值用一定的二进制数来表示。如果量化级数为N，则每个采样值就编码成log2^N位二进制数

2.物理介质

2.1 导引型传输介质

概念：指信号沿固定路径传播的物理通道，常见于有线通信

下面是几种典型的导引型介质：

1.双绞线(Twisted Pair)：由两根绝缘铜导线按螺旋形式相互绞合而成，通过绞合减小环路面积从而降低电磁干扰

屏蔽双绞线(Shielded Twisted Pair)：含金属屏蔽层(铝箔/铜网)，包裹线对或整体线缆
非屏蔽双绞线(Unshielded Twisted Pair)：仅通过双绞结构抵消干扰，无额外屏蔽层

2.同轴电缆(Coaxial Cable)：由四层构成，具有良好的抗干扰能力

内导体：中心铜线，传输信号
绝缘层：包裹内导体的介质(如聚乙烯)，阻抗固定
外导体：金属编织网或箔层，提供电磁屏蔽
护套：外层保护材料(如PVC)

3.光纤(Optical Fiber)：利用全反射原理传输光信号。当光从高折射率介质(纤芯)射向低折射率介质(包层)时，若入射角大于临界角，则发生全反射

单模光纤(Single Mode Fiber)：只允许一种模式的光信号传播，光线几乎沿直线传播，几乎没有反射。适合长距离传输
多模光纤(Multi Mode Fiber)：允许多种模式的光信号同时传播，光在纤芯中以不同的角度反射和折射。适合短距离传输

2.2 非导引型传输介质

概念：指不需要物理线路引导信号的传播媒介，主要依赖电磁波在自由空间中的传播特性。所以这里重点讨论信号传输的方式，而不是介质

电磁波在自由空间中的传播
不同频段具有不同传播特性

地波传播：沿地球表面传播的电磁波

频率较低(大概在2MHz以下)
具有一定绕射能力
在低频和甚低频段，传播距离可达数千公里

天波传播：指电磁波通过电离层反射实现远距离传输的机制，主要应用于短波频段/高频段(3-30 MHz)

传播路径可跨越数千公里
具有绕地曲面传播的特性

视线传播：指电磁波在空间中沿直线路径传输的特性，要求发射端与接收端之间无物理阻挡，主要应用于高于30MHz的频段

高于30MHz频率的电磁波将穿透电离层，不会被反射回来

3.编码与调制

3.1 概念

基带信号：信源发出的原始电信号

数字基带信号：以太网信号
模拟基带信号：音频信号、视频信号

信号需要在信道中进行传输，信道可分为数字信道和模拟信道两种
编码：把数字信号转换为另一形式的数字信号(改变信号的表示形式，没有改变信号的本质特性)
调制：将数字信号转换为适合信道传输的模拟信号

3.2 数字信号中常用编码

不归零编码(Non-Return-to-Zero，NRZ)

特点：
信号电平：正电平表示1，负电平表示0

优点：
简单易实现：编码和解码过程简单，硬件实现成本低
高效带宽利用率：每个比特周期内都用于传输数据，没有冗余

缺点：
缺乏自同步能力：长时间连续传输相同电平可能导致时钟漂移，影响同步。需要额外一根传输线来传输时钟信号，接收方按时钟信号的节拍来逐个接收码元。然而对于计算机网络来说，宁愿利用这个传输线来传输数据信号，而不是要传输时钟信号。因此由于不归零编码存在同步问题，计算机网络中的数据传输不采用这类编码

归零编码(Return-to-Zero，RZ)

特点：
信号电平：每个比特周期内，信号电平会主动归零

优点：
自同步能力：信号在每个比特周期内都有跳变，有助于时钟恢复

缺点：
带宽利用率低：由于每个比特周期内都有归零，信号的带宽利用率较低。
实现复杂：需要更复杂的硬件实现

曼彻斯特编码(Manchester Encoding)

特点：
信号电平：前半比特周期高电平，后半比特周期低电平表示比特1；前半比特周期低电平，后半比特周期高电平表示比特0

优点：
自同步能力：每个比特周期内都有跳变，易于时钟恢复
抗噪声能力强：跳变的存在使得信号对噪声的抵抗能力较强

缺点：
带宽利用率低：每个比特周期内都有跳变，信号的带宽利用率较低
实现复杂：需要更复杂的硬件实现

差分曼彻斯特编码(Differential Manchester Encoding)

特点：
信号电平：如果比特为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同；若为0，则相反

优点：
自同步能力：每个比特周期内都有跳变，易于时钟恢复
抗噪声能力强：跳变的存在使得信号对噪声的抵抗能力较强

缺点：带宽利用率低：每个比特周期内都有跳变，信号的带宽利用率较低实现复杂：需要更复杂的硬件实现

3.3 调制方法

调制：将基带信号转换为适合传输的高频信号的过程

调幅(AM)：载波的振幅随基带信号变化
调幅(AM)：载波的振幅随基带信号变化
调相(PM)：载波的相位随基带信号变化

在这里插入图片描述

4.信道与信道容量

4.1 定义

狭义信道：聚焦物理传输介质本身
广义信道：包含信号处理的完整链路(调制器、编码器等)

4.2 信道容量

概念：指信道在无差错传输条件下能达到的最大信息传输速率

以下是计算信道容量的两个公式

奈奎斯特准则(无噪声信道)： $C = 2B \log_2 M$

C：信道容量，单位为b/s或bps
B：信道带宽，单位为Hz
M：进制数，即信号状态数

Example：在无噪声情况下，若某通信链路的带宽为3kHz，采用4个相位、每个相位具有4种振幅的QAM调制技术，则该通信链路的最大数据传输速率是多少？
C = 2 * 3kHz * $log_2 16$ = 24kbps

香农定理(有噪声信道)： $\log_2(1 + \frac{S}{N})$

S/N：信噪比，信号能量与噪声能量之比，通常以分贝(dB)为单位
(S/N)_dB = 10log₁₀(Signle power / Noise power)

Example：若某通信链路的带宽为2MHz，信噪比为30dB，则该通信链路的最大数据传输速率约是多少？
30dB = 10log₁₀(Signle power / Noise power)
(Signle power / Noise power) = 1000
C = 2kMHz * log₂(1 + 1000) ≈ 20Mbps