Loading... ## 通信基础的基本概念 ### 信源，信宿，信号，信道 ![image-20241104115218972.png][1] ### 数字信号和模拟信号 ![image-20241104115822555.png][2] ### 码元 每一个信号就是一个 “码元” (表示二进制编码的元素) 。可以把 “信号周期” 称为 "码元宽度" 。 ![image-20241104120749188.png][3] 如果一个码元（即一个信号）可能有 4 种状态，那么可以称其为 4 进制码元（一个码元携带 2bit 数据） - 优点：每个“信号周期”可以传输更多信息。换句话说，每个码元可以携带更多信息。 - 代价：需要加强信号功率，并且对信道的要求更高。 #### 模拟信号实现 K 进制码元 ![image-20241104121434631.png][4] #### 码元和比特的关系 如果一个周期内可能出现 K 种信号，则： $$ 1 码元 = log_2K \ bit $$ ### 速率 ![image-20241104121642699.png][5] 若一个码元携带 n 比特的信息量，则波特率 M Baud 对应的比特率为 Mn b/s 。 ### 小结 ![image-20241104121725466.png][6] ## 信道的极限容量 ### 基本概念 - 计算机网络中，带宽（bandwidth）：表示某信道所能通过的 “**最高数据率**” ，单位： bps 。 - 通信原理中，带宽（bandwidth）：表示某信道**允许通过的信号频带范围**，单位：Hz 。 其本质是一样的：信道带宽越大，传输数据的能力越强。内在联系为香农定理和奈式准则。 **噪声**：对信道产生干扰，影响信道的数据传输效率的波。 ### 奈奎斯特定理 (奈氏准则) 奈奎斯特定理：对于一个**理想低通信道**（**没有噪声**、带宽有限的信道）极限波特率 = $2W$ （单位：波特，即码元/秒）。其中 $W$ 为信道的频率带宽（单位：Hz）。 如果一个周期内可能出现 $K$ 种信号，则：$1 码元 = log_2K \ bit$ ，因此此时极限比特率为 $2W log_2K $ b/s 。 奈奎斯特定理说明： - 如果波特率太高，会导致“码间串扰”，即接收方无法识别码元。 - 带宽越大，信道传输码元的能力越强。 - 奈奎斯特定理并未对一个码元最多可以携带多少比特做出解释。 ### 香农定理 对于一个有噪声、带宽有限的信道，极限比特率 $= Wlog_2(1 + S/N)$ （单位：b/s）。其中 $W$ 是信道的频率带宽（单位：Hz），$S/N$ 为信噪比。 信噪比 = $S / N = \frac{信号的功率}{噪声的功率}$ ，没有单位。 > 信噪比越高，噪声对数据传输的影响越小。 由于信噪比的数值一般比较大，所以通常使用 dB (分贝) 为单位表示信噪比： $$ 信噪比 = 10 log_{10} S / N \quad (单位：dB) $$ 注意计算极限比特率的时候要转化为无单位记法，不能使用 dB 。 香农定理说明： - 提升信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率，都可以提高信道的极限比特率。 - 结合奈奎斯特定理，可知，在带宽、信噪比确定的信道上，一个码元可以携带的比特数是有上限的。 ### 小结 ![image-20241104130443537.png][7] ## 编码和调制 - 编码解码是二进制数据和数字信号之间的相互转换，如有线网络适配器； - 调制解调是二进制数据和模拟信号的相互转换，如光猫。 ![image-20241104201646053.png][8] ### 常用的编码方法 常见的编码方法有：不归零编码 (NRZ) ，归零编码 (RZ) ，反向非归零编码 (NRZI) ，曼切斯特编码，差分曼切斯特编码。 ![image-20241104201942391.png][9] - 归零编码可以方便地判断比特和比特之间的边界，拥有自同步能力。 **自同步能力**：信源和信宿可以根据信号完成“节奏同步”，无需时钟信号。 #### 曼切斯特编码的两种标准 ![image-20241104202636714.png][10] 题目一般遵循 IEEE 标准。 #### 各种编码的特点 | | 不归零 (NRZ) | 归零 (NR) | 反向非归零 (NRZI) | 曼切斯特 | 差分曼切斯特 | | ------------ | ------------ | --------- | ---------------------- | -------- | ------------ | | 自同步能力 | 无 | 有 | 增加冗余位可实现自同步 | 有 | 有 | | 是否浪费带宽 | 无 | 浪费 | 不太浪费 | 浪费 | 浪费 | | 抗干扰能力 | 弱 | 弱 | 弱 | 强 | 强 | > 以太网默认使用曼切斯特编码。 ### 常用的调制方法 - 有些介质只能传递模拟信号，不能传递数字信号，比如真空。 - 模拟信号的抗干扰能力更强。 常用的调制方法有调幅 AM ，调频 FM ，调相 PM ： ![image-20241104213321167.png][11] - 对于 **AM** ，若设计 $K$ 个**幅值**，则 1 码元 = $log_2 K$ bit ； - 对于 **FM** ，若设计 $K$ 个**频率**，则 1 码元 = $log_2 K$ bit ； - 对于 **PM** ，若设计 $K$ 个**相位**，则 1 码元 = $log_2 K$ bit ； #### 正交幅度调制 QAM 将 AM、PM 结合起来，形成叠加信号。若设计 $m$ 种幅值、$n$ 种相位，则将 AM、PM 信号两两 “复合” ，可调制出 $mn$ 种信号，则 QAM 中，1 码元 = $log_2mn$ bit 。 常用的QAM调制方案： - QAM-16 即调制16种信号，1码元携带 $log_216=4$ bit 数据。 - QAM-32 即调制32种信号，1码元携带 $log_232=5$ bit 数据。 - QAM-64 即调制64种信号，1码元携带 $log_264=6$ bit 数据。 - QAM-128 即调制128种信号，1码元携带 $log_2128=7$ bit 数据。 ### 小结 ![image-20241104214646399.png][12] ## 传输介质 ### 导向型传输介质 #### 双绞线 ![image-20241104214939377.png][13] #### 同轴线缆 ![image-20241104215132772.png][14] 内导体越粗，电阻越低，传输过程中信号衰减越少，传输距离越长。 #### 光纤 ![image-20241104215254660.png][15] - 多模光纤 (MMF，Multi-Mode Fiber) ：纤芯更粗，可同时传输**多条光线**，信号传输**损耗更高**。**适合较近距离传输**。 ![image-20241104215406446.png][16] - 单模光纤 (SMF，Single-Mode Fiber) ：纤芯更细，直径小于一个波长，**只能传输一条光线**，信号传输**损耗低**。**适合远距离传输**。 ![image-20241104215548889.png][17] ### 以太网对有线传输介质的命名规则 **速度 + Baseband + 介质信息**。 > Baseband，基带传输，即传输数字信号（采用曼彻斯特编码） - 10Base5 ——10Mbps，同轴电缆，最远传输距离 500m 。 - 10Base2 ——10Mbps，同轴电缆，最远传输距离200m（实际是185）。 - 10BaseF* ——10Mbps，光纤。*可以是其他信息，如10BaseFL、10BaseFB、10BaseFP 。 - 10BaseT* ——10Mbps，双绞线。*可以是其他信息，如10BaseT1S、10BaseT1L 。 ### 无线传输介质 无线传输本质上是利用电磁波。电磁波的公式：$C - \lambda F$ ，其中 $C$ 为光速， $\lambda$ 为波长， $F$ 为频率。 - 电磁波频率、波长呈反比关系； - **频率越高，数据传输能力越强**； - **波长越短**，“信号指向性” 越强，信号越趋于直线传播； - 波长越长，“绕射性” 越好，也就是信号 “穿墙” 能力越强。 ![image-20241104215902950.png][18] 长波更适合长距离、非直线通信。短波更适合短距离、高速通信，若用于长距离通信需建立中继站；短波信号指向性强，要求信号接收器 “对准” 信号源。 ### 物理层接口的特性 - 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数自和排列、固定和锁定装置等。 - 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制等。 - 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压的意义。 - 过程特性（规程特性）：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。 ### 小结 ![image-20241104220532732.png][19] ## 物理层设备 ### 中继器 数字信号传输的距离过远会存在失真的问题，因此需要使用中继器 (Repeater) 将失真信号整形再生，然后再继续转发。 ![image-20241104221946881.png][20] > 物理层 “电气特性” 规定 —— 0.5~1.5V 是低电平，4.5~5.5V 是高电平，不符合此标准的信号视为无效。中继器接收到信号后，会将低电平整形为1V，将高电平整形为5V，然后再输出。 ### 集线器 ![image-20241104222129830.png][21] #### 冲突域 如果两台主机同时发送数据会导致 “冲突” ，则这两台主机处于同一个 “冲突域” 。 处于同一冲突域的主机在发送数据前需要进行 “**信道争用**” 。 > **集线器不能隔离冲突域。** ### 集线器和中继器的一些特性 ![image-20241105010315948.png][22] - 5-4-3 原则：使用集线器（或中继器）连接 10Base5 网段时，最多只能串联 5 个网段，使用 4 台集线器（或中继器），只有 3 个网段可以挂接计算机。 ![image-20241105010730348.png][23] - 集线器连接的网络物理上是“星形”拓扑结构，逻辑上是总线形拓扑结构。 ![image-20241105010817851.png][24] - 集线器连接的各网段共享带宽。 例如：带宽为 10Mbps 的集线器，连接 8 台主机，则每台主机平均只拥有 1.25Mbps 带宽。 ### 小结 ![image-20241105011203521.png][25] [1]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/661930261.png [2]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/2978793091.png [3]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3658515772.png [4]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3978896244.png [5]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3275662800.png [6]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/568952108.png [7]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/2602077149.png [8]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/2816712940.png [9]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3650561841.png [10]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/1100672926.png [11]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3393805908.png [12]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/764721723.png [13]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3956312699.png [14]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/2937464955.png [15]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/4184155879.png [16]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/4008428631.png [17]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/1400099923.png [18]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/1706846162.png [19]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/1290040229.png [20]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3619407573.png [21]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/41357113.png [22]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/70756760.png [23]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/3857670780.png [24]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/2109224191.png [25]: https://blog.domineto.top/usr/uploads/2024/11/2471931734.png 最后修改：2024 年 11 月 05 日 © 允许规范转载 赞 如果觉得我的文章对你有用，请随意赞赏