[架构之路-165]-《软考-系统分析师》-4-据通信与计算机网络-1- 物理层通信

目录

4 . 1 数据通信（数通）基础知识

4 .1 .1 物理与逻辑信道特性

1 . 信道传输的方式

2 . 信道传输速率

 4 . 1 . 2 数 据 传 输 技 术

1 . 并行传输与串行传输

2 . 异步传输与同步传输

3 . 数据传输的形式

4 . 1 . 3 数 据 编 码 与 调 制

1 . 模拟信道传送模拟数据

2 . 数字信道传送模拟数据

3 . 模拟信号信道传送数字数据/信息

4 . 数字信道传送数字数据

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计算机网络自20世纪60年代末诞生以来，即以异常迅猛的速度发展起来，被越来越广泛地应用于政治、经济、军事、生产和科学技术等各个领域。

目前，信息系统大多数是基于计算机网络的，因此，作为一名合格的系统分析师，必须掌握有关计算机网络的基础知识。计算机网络源于计算机技术与数据通信技术的结合，它通过通信链路将分
布在各个地理位置上的多台独立的计算机相互连接起来，从而形成的一种网络，并在网络操作系统、网络管理软件和网络通信协议的管理和协调下，实现资源（软件、硬件和数据）共享。

4 . 1 数据通信（数通）基础知识

数据通信是计算机网络的基础，计算机网络通过采用数据通信方式进行通信。数据通信技术的发展与计算机技术的发展密切相关，又相互影响，已经形成一门独立的学科。

广义地说，数据通信是计算机之间或计算机与其他数据终端之间存储、处理、传输信息的一种通信技术，数据通信的目的就是传递信息。

备注：这里的计算机不仅仅是个人电脑和服务器，而包括各种嵌入式设备，如交换机，路由器。也就是说，各种嵌入式设备都是一台台计算机。

4. 1. 1 物理与逻辑信道特性

各种数据终端设备交换数据，就必然要传输数据（模拟信号或数字信号），数据传输的路径称为信道。

信道可以分为物理信道和逻辑信道。

物理信道由传输介质和设备组成，是用于传输信号的物理通路，网络中两个节点之间的物理通路称为通信链路。物理信道还可根据传输介质的不同而分为有线信道和无线信道，也可根据物理传输信号类型的不同分为数字信道和模拟信道；

逻辑信道是指在数据发送端和接收端之间不存在一条物理上的线路。逻辑信道可以是有连接的，也可以是无连接的。

1 . 信道传输的方式

按照数据传送的方向与时间不同，信道传输可以分为单工、半双工和全双工三种传输方式，如图4-1所示。

(1) 单工通信。

单工通信也称为单向通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播以及电视广播就属于这种类型。

(2) 半双工通信。

半双工通信也称为双向交替通信，即通佶的双方都可以发送信息, 但不能同时发送和 N 时接收。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。很多对讲机使用的就是半双工方式，当一方按下按钮说话时，不能听见对方的声音。

(3)全双工通信。

全双工通信意味着两个方向的传输能够同时进行，一般的电话系统、交换式以太网等采用全双工方式进行通信。

2 . 信道传输速率

在过去，通信的主干线路传送的是模拟信号，信号带宽指的是该信号所包含的各种不同的频率成分所占据的频率范围，即 “信道带宽=最高频率-最低频率”。通常是信道的电路制成了，信道的带宽也就决定了；

而在数字通信中，带宽是指信道传输数据的能力，表示信道在一定的时间内所能传输的比特数。信道的传输速率可以用码元传输速率和信息传输速率两种方式来描述。

备注：

（1）根据傅里叶变换公式可以看出：用于数字通信的脉冲信号，是由无数不同频率的模拟信号组成的，理想的数字信号的带宽必须是无穷的。

（2）但由于数字信号具备天然的抗干扰能力。因此，数字信号的实际带宽，可以不需要无穷带宽，实际带宽是一定谐波分量构成的带宽。

（3）数字信号的谐波分量的组成和个数，还与数字信号的脉冲宽度和周期相关，脉冲的频率越高，谐波分量衰减得越慢，所需要的模拟分量的带宽越大！！！

这就是数字信号的脉冲频率越高，数据速率越高，所需要数字信号传输带宽越大。

(1) 码元传输速率。

在数字通信中，对数字信号的计量单位常用码元表示。一个码元就是一个数字脉冲，用码元速率表示单位时间内信号波形的变换次数，即单位时间内传送码元的数目。码元速率又称为波特率，单位为波特/秒 （ Baud / s )。

备注：

特定的物理信号波形，就是码元。码元用来承载数据，承载信息的，一个码元可以代表1个bits数据，也可以代码2个bits数据。

(2) 数据传输速率。

数据传输速率即比特率，单位为比特/秒 （ b / s 或 bps ) , 它表示每秒钟传送的信息量（比特数）。信道传输速率的计算公式如图4-2所示。

备注：

理想信道的模拟频率分量的带宽W，与数字脉冲信号的速率关系是：B = 2*W.

噪声信道的模拟频率分量的带宽W，与数字脉冲信号的速率关系是：满足香浓理论：

• 模拟频率分量带宽一定的情况下，噪声越大，数字信号的最大速率越低，噪声越小，信噪比越大，数字信号的最大速率就越高。
• 信噪比一定的情况下，数字信号的最大速率越高，所需要的模拟频率分量的的带宽越大。

从图4-2中可以看出，计算信道的传输速率时需要考虑两种情况。

(1) 无噪声的理想信道。

使用奈奎斯特定理进行计算，该定理的表达很简单，即步=2^( B a u d )。在计算时，最关键的在于理解码元和比特的转换关系。例如，如果码元取2 个离散值，则只需1 比特表示；若码元取4 个离散值，则需要2 比特来表示。码元有多少个不同种类，取决丁•其使用的调制技术。关于调制技术的详细知识，将在4.1.3节中介绍，表 4-1只列出常见的调制技术所携带的码元数。

 (2)有噪声干扰的实际信道。

使用香农理论进行计算，香农理论描述了有限带宽、有随机热噪声信道的最大传输速率与信道带宽、信号噪声功率比（及 M 简称为信噪比）之间的关系。

在使用香农理论时，由 于 的 比 值 通 常 太 大 ，因此使用分贝数（ d B ) 来表示 ： d B = l 〇 X l 〇 gl ()(57 A 〇。例如，57 A M O O O 时，用分贝表示就是30 d B 。如果带宽是3 k H z , 则这时的极限数据速率就是 C = 3000 X l 〇 g1Q(l + 1000)»3000 X 9.97®30 K b p s 。

自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法不断出现，其目的就是为了尽吋能接近香农公式给出的理论极限。在实际信道上接近这个极限是非常困难的，因为在实际信道中，信号还要受到其他的一些损伤，例如，各种脉冲干扰和在传输中产生的失真等。 

• 在信噪比一定的情况下，信道带宽越大，信道容量（最大传输速率）越大。
• 在信道容量（最大传输速率）一定的情况下，信噪比越大，所需要的信道带宽越大。
• 理想信道：信道容量是信道带宽的两倍。

（3）时延

 4. 传输质量：误码率来标识物理信道传输质量

 4 . 1 . 2 数 据 传 输 技 术

在通信技术发达的今天，数据传输技术多种多样，例如，并行传输、串行传输、同步传输、异步传输等。

1 . 并行传输与串行传输

在并行传输中，一次使用《 («>1)条导线同时传输《个比特。显然，并行传输的优势在于速度。在串行传输中，比特是逐个依次发送的。因此，在两个通信设备之间传输数据只需要一条通信信道，而不是 A 2条。串行传输的优点是，因为只需要一条通信信道，费用大约只有并行传输的1//2。串行传输的缺点在于，存在一个收、发双方如何保持码组或字符同步的问题，这个问题不解决，接收方就不能从接收到的数据流中正确地 K 分一个个的字符，导致传输失去意义。如何解决码组或字符的同步问题，目前有两种不同的方法,分别是异步传输方式和同步传输方式。

2 . 异步传输与同步传输

在异步传输方式中（如RS232串口），每次传送一个字符（5〜 8 位)，都在每个字符代码前加一个起始位，表示该字符代码的开始。在字符和校验码后加一个停止位，表示该代码的结束。因此，异步传输又称为起止式同步，起始位编码为“0”，持 续 1位时间，停止位编码为“1”，持 续 1〜 2 位时间。

当不发送数据时，发送端连续地发送停止码“1”。接收端一旦接收到从1 到 0 的信号跳变，便知道要开始新字符的发送，利用这种极性的改变便可启动定时机构，实现同步。当接收到停止位时，就将定时机构复位，准备接收下一个字符代码。因此，在异步传输中，不需要传输时钟脉冲。异步通信设备易于安装，维护简单。且价格便宜。但是，在异步方式中，由于每个字符都引入起始和停止位，所以开销大、效率低、速率低，常用于低速传输。

在同步传输方式中，利用时钟的同步使发送和接收装置之间的定时不发生误差。通常有两种方法来实现：

笫一种方法是在接收装覽和发送装置之间采用单独的时钟信息。（如I2C总线）

另一种方法是将定时信号包含在数据信号中发送（如以太网总线），直接从数据波形本身中提取同步信号。例如，数字信号利用曼彻斯特编码时，规定传送“0”信号时是电平先正后负，传 送 “1”信号时是电平先负后正。

由于数据信号都是由二进制码按预定规律编排而成，它包含位、字、句和帧等。数据传输的代码结构是由若干位组成字，由若干个字组成句，由若干个句组成帧，传输时不仅位需要同步，字、句和帧都要间步，这称为群同步。只有做到群同步，接收端才能正确识别字、句和帧等码群。如果只有位同步而无群同步，接收到的信号将是一串无意义的码元序列。

3 . 数据传输的形式

根据传输技术的不同，数据传输形式可分为基带传输、频带传输和宽带传输等三种。

(1) 模拟基带传输

基带模拟信号直接通过信道传输，就是模拟基带传输，如麦克风。

(2) 数字基带传输

模拟信号经过信源编码得到的信号为数字基带信号，将这种信号经过码型变换，不经过调制，直接送到信道传输，称为数字信号的基带传输。

数字信道中传输的是基带信号经过信源编码后的二进制数据。

信源编码后的二进制比特的数量，取决于采样率和每个样本的二进制比特数（如16bit或24bit）等。

(3) 模拟宽带传输：射频传输、频带传输（移动通信中RF射频发送）

频带传输就是先将基带信号变换（调制）成便于在模拟信道中传输的、具有较高频宇.范围的模拟信号（称为频带信号），再将这种频带信号在模拟信道中传输。

之所以需要通过高频射频发送，这是因为高频电磁波的无线信道的带宽比较大，因此可以传送的比特数就比较多，因此，可传送二进制速率就比较高。

(4） 数字宽带传输：数字信道传输的数据，是多路基带数据的多路复用。

宽带传输是将信道分为多个子信道，分别传送音频、视频和数字信号。

与基带传输相比，一条宽带信道能划分为多条逻辑基带信道，实现多路复用，信道的容量大大增加；

宽带传输的距离比基带远，因为基带传输直接传送数字信号，传输的速率越高，能够传输的距离越短。

4 . 1 . 3 数 据 编 码 与 调 制

数据传输是实现数据通信的基础，无论信源产生的是模拟数据还是数字数据，在传输过程中都要转换成适合于信道传输的某种信号形式。模拟数据和数字数据都可以用模拟信号或数字信号来表示，从而产生了数据调制和编码技术。

备注：

表面上看是信号的传输、数据的传输，实际上是每个节点对信号的复制！或者说是复原！！！每个接收端，不过是复原发送端发送的信号而已！！！

这与现实事件的物流不一样的地方！！！现实世界的物流，被传输的物理，在整个流动过程中原封不动的搬移。而不是在每个节点出的复原！！！

1 . 模拟信道传送模拟数据

备注：

4G/5G移动通信网的射频发送，本质上是通过高频模拟信号发送多路模拟信号（子载波模拟信号）复用之后的模拟信号，即基带时域信号。多路子载波基带模拟信号复用的过程就是频域到时域的映射，就是傅里叶逆变换。

2 . 数字信道传送模拟数据

模拟信号必须转变为数字信号，才能在数字信道上传送，这个过程称为数字化。脉码调制 （Pulse Code Modulation , P C M ) 是最常用的一种数字化技术。 P C M 要经过取样、量化、编码三个步骤。

(1) 取样/采样/抽样

根据奈奎斯特取样定理，取样速率应大于模拟信号的最高频率（带宽）的2 倍。

例如，44 k H z 的音乐让人感觉到最保真，这是因为人耳可识别的最高频率约为22 k H z , 因此，当采样率达到44 k H z 时，就可以得到最满意的效果。

(2) 量化。

将样本的连续值转换成离散值，离散值的个数决定了景化的精度。

( 3 ) 编码。

将量化后的样本值变成相应的二进制代码。

3 . 模拟信号信道传送数字数据/信息

数字数据使用模拟通道传送，同样需要调制，使其适合于在模拟线路上传输。即用模拟信号的波形来标识数字信号！！！

最基本的调制技术包括幅移键控 （A m plitude-Shift K eying，A S K )、 频移键控 （Frequency-shift keying, F S K ) 和相移键控 （Phase-Shift K eying, P S K ) , 如图 4-3 所示。

A S K 用恒定的载波振幅值表示一个数（通常是“1”)，无载波表示另一个数（通常是 “0”)，其实现简单、抗干扰性差、效率低，典型数据率为1200 bps ;

F S K 使用两种不同的频率表示数字数据“1”和 “〇”，其抗干扰性较 A S K 更强，但占用带宽较大，典型数据率也是1200 bps ; P S K 用载波的相位偏移来表示数据“1”和 “〇”，其抗干扰性最好，而且相位的变化可以作为定时信息来同步时钟。

4 . 数字信道传送数字数据

在数字信道中传输数据时，利用特定的数字电平信号来表示二进制值“0”和 “1”，然后再进行传输，可用的编码方法有很多，常见的有归零性编码、双相码、极性编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码等。

备注：

计算机以及嵌入式设备内部的各种低速和高速总线，都是用数字信号传送数字数据。就用特定的TTL电平信号或CMOS电平信号传送0和1信息，如I2C，SPI，CPRI， PCIe总线，以太网总线。

(1) 归零性编码。

归零是指编码信号量是否冋归到0 电平。

归零性编码可分为归零码 （ R e t u m Z e r o , R Z ) 和非归零码，非归零编码又吋分为非归零电平编码（ Non-RetumZero - Level ， N R Z - L ) 和非归零反相编码（ Non-Return Zero - Inverse ， N R Z - I )。

归零码是指码元中间的信号回归到0 电平，非归零码则不回归（发生电平变化表示“1”，不发生电平变化表示“0”)。

(2) 极性编码。

极性编码分为单极性编码、极性编码和双极性编码。在单极性编码中，正极表示“0”，零电平表示“1”；在极性编码中，使用两极（正极表示“0”，负极表 示 “1”）表示数据；

双极性码使用正负两极和零电平表示数据。

其中有一种典型的双极性码是信号交替反转编码，它用零电平表示“0”，“1”则使电平在正、负极间交替翻转。

(3) 双相码。

通过不同方向的电平翻转（低到高代表“0”，髙到低代表“1”)，这样不仅可以提高抗干扰性，还可以实现自同步，它也是曼彻斯特编码的基础。曼彻斯特编码将一个码元时间一分为二，其中低电平到高电平的变化表示“0”，高电平到低电平的变化表示“1”。也就是说，在码元的正中间的时间位上出现一次电平的翻转。曼彻斯特编码主要应用于以太网中。差分曼彻斯特编码也是将一个码元时间一分为二，如果当前位的前半部分电平不同于前一位的最终电平状态(即位间电平发生变化)，
则表示“0”；如果当前位的前半部分电平相同于前一位的最终电平状态（即位间电平不发生变化），则表示“1”。也可理解为“遇 0 翻转，遇 1不变”。差分曼彻斯特编码常应用于令牌环网中。
使用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码时，每传输1 比特的信息，就要求线路上有2 次电平状态变化（2 B a u d ) , 因此，要实现100 M b p s 的传输速率，就需要有200 M H z 的带宽，即编码效率只有50%。正是因为曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码的编码效率不高，导致在带宽资源宝贵的广域网和速度要求更高的局域网中出现了困难，为了解决这些困难，因此出现了 m B n B 编码，即将 m 比特位编码成《波 特 （代码位)，提高了带宽的利用率。