数据通信技术 / 物理层

1.通信基础

数据通信的一些概念

• 通信的目的：交换信息
• 信息的载体：数据
• 模拟数据：随时间连续变化的函数，一定范围内有连续的无数个值
• 数字数据：离散的，有限个值
• 数据是通过信号传输的，即信号是数据传输的载体，是由于信号的某些特征参数可以表示所传输的数据
• 模拟信号：数据的特征参数连续变化的信号
• 数字信号：离散的信号
• 信号是在信道(channel)上传输，即信道是信号传输的通道
• 信道/频道channel：一般指连接信号发送方和接收方的传输线路 ( 媒介)，即信号在通信系统中传输的通道
• 模拟信道：使用模拟信号传输数据的信道
• 数字信道：使用数字信号传输数据的信道，传输质量更优，容差范围大，接收方正确还原率高
• 模拟传输系统：传输模拟信号的通信系统，如电话系统
• 数字传输系统：传输数字信号的通信系统
• 信源：产生和发送数据的源头
• 信宿：接收数据的终点
• 信源和信宿都是计算机设备，二者交换的是数字数据
• 基带传输：计算机网络使用数字信号在数字信道上进行传输，需对数字数据进行编码和解码
• 频带传输：数字数据借助于模拟信道传输，先将数字数据调制为模拟信号再发送，接收端进行解调
• 多路复用
  • 频分多路复用FDM：在模拟信道使用，将信道划分为多个频段以传输多路信号
  • 时分多路复用SDM： 在数字信道使用，将单位传输时间分割为多个时隙以传输多路信号
  • 波分多路复用WDM：对光信号的传输
• 码元：用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)表示一位 k 进制数字，代表不同离散数值的基本波形，是数字通信中数字信号的计量单位，这个时长内的信号称为k进制码元，该时长称为码元宽带

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周期矩形脉冲信号的频谱特性

• 频谱特性：指组成周期信号的各次谐波的振幅按频率分布图

• 信号带宽：谐波的最高频率与最低频率之差 f_h - f_l 称为信号的频带宽度，简称信号带宽
  

  信号频谱

• 信道带宽：信道频率响应曲线上幅度取其频带中心处值的1/√2倍的两个频率之间的区间宽度
  

  信道带宽

• 重要结论：信号带宽与脉冲宽度成反比，即脉冲宽度越窄，要求信道带宽越大

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信号和数据

• 数据是承载信息的实体，信号是数据的电气或电磁表现
  
  模拟和数字信号数据的转换

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数据通信系统基本结构
三大部分：源系统，传输系统，目的系统

• 源系统
  • 源点：产生要传输的数据
  • 发送器：将数据进行编码后产生传输信号
• 传输系统：可以是简单物理通信线路，也可以是复杂网络系统
• 目的系统
  • 接收器：将接收自传输系统的信号转换为数据
  • 终点：将接收的数据转化为信息

数据通信系统

信道通信方式

• 单工通信
  • 信息流仅沿单方向流动，发送方 S 和接收方 R 角色固定
  • 接收方须对接收的数据进行检验，错误数据要求重传，正确数据返回确认信号，故需要如图虚线的反向控制信道
    
    单工通信
• 半双工通信
  • 可双向传输，但不能同时双向传输
  • 通信双方都有发送器和接收器，信道一次只能容纳一个方向的传输
  • 传输效率低，但可节省传输线路资源，得到广泛应用

半双工通信

• 全双工通信
  • 两个站点允许同一时刻双向传输数据
  • 效率高，结构复杂，成本高
    
    全双工通信

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数据传输方式

• 基带传输
  • 基带信号：信源直接输出的原始数据信号
  • 在信道上直接传送数据的基带信号称为基带传输
  • 最简单， 常用于局域网
• 频带传输
  • 可解决数字信号在模拟信道中传输产生的失真问题
  • 指将数字信号调制成模拟音频信号后再发送和传输，到达接收端时再把音频信号调解成原来的数字信号的传输方式
  • 发送端安装调制器，接收端安装解调器，全双工通信时，收发两端都需安装调制解调器
  • 可实现多路复用
• 宽带传输
  • 实质上是宽频带传输
  • 宽带传输借助频带传输，可将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可携带不同的信号，这就是宽带传输

2.传输介质/ 传输媒体

传输介质：计算机网络中连接发送器和接收器的物理通道

导向传输媒介(电磁波被导向沿着固体媒介传播)

• 双绞线

  • 由两根采用一定规则并排绞合的，相互绝缘的铜导线组成，绞合可减少对相邻导线的电磁干扰
  • STP 屏蔽双绞线：双绞线外添加用金属丝编织成的屏蔽层
  • UTP 无屏蔽双绞线：无屏蔽层的双绞线
  • 价格便宜，最常用，局域网和传统电话网普遍使用。带宽取决于铜线粗细和传输距离，模拟传输和数字传输都可使用
  • 通信距离几千米到数十千米，距离太远时，对模拟传输，要使用放大器放大衰减的信号；对数字传输，要用中继器将失真的信号整形

• 同轴电缆

  • 基带同轴电缆 50Ω，主要传送基带数字信号，广泛应用于局域网
  • 宽带同轴电缆 75Ω，主要传送宽带信号，常用于有线电视系统
  • 具有良好的抗干扰特性，广泛用于传输较高速率的数据
  • 传输距离更远，价格比双绞线贵

同轴电缆结构图

• 光纤
  • 由纤芯和包层组成，光波通过纤芯传导，包层折射率低，光线碰到包层时折射回纤芯，该过程不断重复，使得光沿着光纤传播下去
  • 利用光导纤维传递光脉冲进行通信，有光脉冲表示1，无光脉冲表示0
  • 多模光纤
    • 不同角度入射的多条光线在一根光纤中传输，利用光的全反射特性
    • 光脉冲会逐渐展宽造成失真，只适合近距离传输
    • 光源为发光二极管
  • 单模光纤
    • 光纤直径小到只有一个光的波长时，光纤就像一根波导一样使得光线一直向前传播，不会产生多次反射
    • 制造成本高，衰减小，适合远距离传输
    • 光源是定向性很好的半导体激光器
  • 光纤还有以下特点
    • 带宽范围大，通信容量大，传输损耗小，中继距离长，远距离传输很经济
    • 抗雷电和电磁干扰性能好
    • 无串音干扰，保密性好
    • 体积小，重量轻

非导向传输媒介(无线传输媒介)

• 微波
  • 直线传播，传播距离受限，一般50km左右，故需要中继器进行接力
  • 地面微波接力通信
    • 微波波段频率高，频段范围宽，通信信道容量大，传输质量高
    • 投资少，见效快
    • 相邻站必须直视，不能有障碍物，可能会失真
    • 受恶劣天气影响
    • 对大量中继站的使用和维护耗费较大
  • 卫星微波通信(卫星通信)
    • 在地面站之间利用36000km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信
    • 通信距离远，通信费用与通信距离无关
    • 传播时延大，覆盖面广，适合广播通信；保密性差
• 激光
  • 在视野范围内安装两个彼此相对的激光发射器和接收器进行通信
  • 激光束的方向性比微波束好，不受电磁干扰，不怕偷听
  • 激光会衰减，受天气影响，具有通信中断风险，适合短距离通信
• 红外线
  • 利用墙壁或屋顶反射红外线从而形成整个房间内的广播通信系统，适合短距离通信
  • 优点：红外通信设备便宜，可获得较高带宽；缺点：传输距离有限，易受室内空气状态影响。红外线不能穿越墙壁，而微波可以穿越。

3.编码与调制

• 数字数据编码为数字信号
  • 自同步：是指接收方能从数据信号波形中提取同步信号的方法。 自同步就是根据接收到的信号提取采样所用的时钟分量
  • RZ 归零编码
    • 通常高电平表示1，低电平表示0(或者相反)
    • 每个时钟周期的中间均跳变到0，当0即不表示高电平，也不表示低电平时，高低电平都需跳变

RZ归零编码

• NRZ Non-Return to Zero 不归零制
  • 顾名思义，不需要归零，一个时钟周期可以全部用来传输数据
  • 无法传递时钟信号，通信双方难以同步

NRZ不归零编码

• 曼彻斯特编码
  • 将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为高电平后一个间隔为低电平表示码元1，码元0的表示方法与此相反。
  • 每个码元中间出现电平跳变，位中间的跳变既作为时钟信号，又作为数据信号
  • 频带宽度是原始基带宽度的两倍
  • 可实现自同步

曼彻斯特编码

• 差分曼彻斯特编码
  • 若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元电平相同；若码元为0，则与上一个码元的后半个码元电平相反
  • 每个码元中间都有电平跳变，可实现自同步，抗干扰性较好

差分曼彻斯特编码

• 数字数据调制为模拟信号

  • 幅移键控法ASK
    • 通过改变载波信号的振幅来表示数字信号1和0
  • 频移键控法FSK
    • 通过改变载波信号的频率来表示数字信号1和0
  • 相移键控法PSK
    • 通过改变载波信号的相位来表示数字信号1和0
      
      数字调制三种方式

• 模拟数据编码为数字信号

  • 采样定理：奈奎斯特采样定理，即一个连续变化的模拟信号，假设其最高频率为f_max，则其采样频率f_采样 ≥ 2 * f_max时，才能保证采样后的数字信号完整保留原始模拟信号的信息
  • PCM Pulse Code Modulation 脉冲编码调制，是把一个模拟信号转换为二进制数字序列的过程，其三大步骤如下：
    • 采样/抽样(sample)：对模拟信号进行周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号，采样频率必须满足奈奎斯特采样定理
    • 量化：把采样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值并取整，这样就把连续的电平幅值转化为了离散的数字量。采样和量化的实质是分割和转换
    • 编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码

• 模拟数据调制为模拟信号

  • 为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用FDM技术，充分利用带宽资源

4.数据通信性能指标

• 带宽 Bandwidth
  • 本表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位为赫兹Hz；
  • 在计算机网络中，带宽表示网络通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的最高数据传输速率的同义语，单位是 bit/s
• 时延 delay
  • 发送时延
    • 节点发送数据时把数据块从节点送入传输媒介所需时间
    • 发送时延 = 数据块长度 / 信息传输速率 = 分组长度 / 信道宽度
  • 传播时延
    • 电磁波信号在一定长度的传输信道上传播所需的时间，即信号从信道的一段传播到另一端经历的时间。
    • 传播时延 = 信道长度 / 电磁波在信道上的传播速率
  • 转发时延
    数据块在中间节点(中继器 / 交换机 / 路由器等)执行存储转发所引起的时延，主要有以下两种类型
    • 排队时延
      • 数据块在输入和输出缓冲区排队所花费的时间，例如分组在进出路由器时，需排队等待处理，与网络负载状况紧密相关，是影响转发时延的主要因素
    • 处理时延
      • 进行转发处理数据块所花费的时间，如首部检查、差错校验、端口交换等
  • 总时延 = 发送时延 + 传播时延 + 排队时延 + 处理时延
    • 做题时，一般忽略不计转发时延，除非题目有说明
• 时延带宽积
  • 指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，故又称以比特为单位的链路长度
  • 时延带宽积 = 传播时延 * 信道带宽
  • 如图，假设一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则时延带宽积就表示该管道可容纳的比特数量 ，也即该管道的体积
    
    链路的时延带宽积比喻
• RTT Round-Trip Time 往返时延
  • 指从发送端发送数据开始，到发送端收到接收端的确认，总共所经历的时长，接收端收到数据后立即发送确认
• 吞吐量 ：单位时间内通过某个网络(或信道、接口)的数据量
• 速率
  • 也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为 bit/s
  • 指连接到计算机网络上的主机在数字信道上传送数据的速率
  • 计算机网络中，通常把最高数据传输速率称为带宽
• 信道利用率
  • 指某一信道有百分之多少的时间是有数据通过的
  • 信道利用率 = 有数据通过时间 / (有 + 无)数据通过时间
• 信息传输速率
  • 又称比特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的二进制码元个数(即比特数)，通俗讲就是0，1的个数，单位是 bit/s
• 码元传输速率
  • 又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元个数，单位为波特Baud，一个码元就是一个脉冲信号，如果一个脉冲信号可以传输 n 比特的数据，那么 比特率 = n * 波特率
  • 码元可以是多进制的，码元速率与进制数无关
• 可靠性
  • 误码率 P_c
    • 衡量通信信道传输质量的重要参数，指传输的码元被传错的概率
    • 传输码元总数很大时，可近似定义为：
      P_c = 传错的码元数 / 传输的码元总数
  • 误比特率 P_b
    • 又称比特误码率BER，指传输的比特被传错的概率
    • 传输比特总数很大时，可近似定义为：
      P_b = 传错的比特数 / 传输的比特总数

5.信道极限容量

• 奈奎斯特准则
  • 码间串扰：一种现象，指信号中的高频分量在通过信道时发生衰减导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限。
  • 奈氏准则：在带宽为W Hz的理想低通信道(无噪声、带宽有限)中，为了避免码间串扰，其最高码元传输速率B_max = 2W (Baud)
  • 若编码方式的码元状态数为M，则信道理论上的极限信息传输速率(极限数据率)，即信道容量C_max = 2W × log₂M (bit/s)
  • 几个结论：
    • 任何信道中，码元传输速率是有上限的。若超出上限会出现严重的码间串扰，接收端无法完全正确识别码元
    • 信息传输速率越快，要求信道带宽越宽(即通过的信号高频分量越多)
    • 实际信道总是存在噪声，故奈氏准则给出的是理论上限
    • 奈氏准则给出了码元传输速率(波特率)限制，并未限制信息传输速率(比特率)限制，即并未对一个码元可以对应多少个二进制位给出限制
• 香农定理
  • 信噪比：信号的平均功率 / 噪声的平均功率，S / N
  • 信噪比 = 10 × log₁₀(S/N) (dB)，其中dB为单位，即分贝
  • 香农定理给出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道极限数据传输速率C_max，当低于此速率进行传输时，理论上可不产生误差
    C_max = W × log₂(1 + S/N) (bit/s)
  • 几个结论：
    • 信道带宽或信噪比越大，信息极限传输速率越高
    • 对一定传输带宽和一定信噪比，信息传输速率上限是确定的
    • 只要信息传输速率低于信道极限传输速率，就能找到某种方法实现无差错传输
    • 实际信道能达到的传输速率比香农定理得出的要低不少，因为香农定理也是极限传输速率

6.信道复用技术

• FDM 频分复用

  • 用户在分配到一定频带后，通信过程中自始至终都占用这个频带，频分复用的所有用户同一时刻占用的是同一媒介的不同带宽资源，如图每种颜色代表一个频带，位于该频带范围的带宽资源自始至终供某用户使用，日文插图的管道就是媒介，里面包含这4种颜色代表不同频带对应的带宽资源
    
    FDM频分复用
    
    
    FDM频分复用

• 时分复用

  • 将时间域划分为若干段等长的时分复用帧(TDM帧)，每个TDM帧可划分为若干时隙，每个用户在周期性的TDM帧中占用固定序号的时隙，在分配给自己的时隙内使用全部媒介带宽资源
    
    TDM时分复用
    
    
    TDM时分复用

• 码分复用

  • 常用名词为CDMA 码分多址访问
  • 允许多个用户在同一时刻使用相同频带进行通信，且各用户之间不会造成干扰
    
    CDM码分复用
    
    
    CDM码分复用

• 波分复用

  • 本质为光纤的频分复用，复用的是光载波信号
  • 使用一根光纤同时传输多个频率很接近的光载波信号，使得光纤传输能力成倍提高
  • 常使用波长λ表示所使用的光载波
  • 图中MUX为复用器，DEMUX为分用器，有3个光载波故为3路传输，相邻的波长很接近的光载波经过光复用器后进入一根光纤中传输，因此一根光纤上数据传输速率就达到3 × 光载波信号传输速率

WDM波分复用

7. 数据交换技术

交换：当两个终端之间没有直连线路时，就必须经过中间节点的转接才能实现通信，这种由中间节点进行转接的通信方式称为交换。中间节点称为交换节点或转接节点。
交换网络：多个交换节点可相互连接构成交换网络

• 电路交换(Circuit Switching)
  

• 含义：两个用户进行通信时，首先建立一条临时的专用(双方独占)物理通信线路，这条物理线路既可以是一条真正的物理线路，也可以是物理线路上使用多路复用方法建立的一条物理通信信道，该信道通常只是整个线路可用带宽一部分。双方独占一直持续到通信一方释放这条专用线路。

• 三个阶段：

  • 建立电路：通信开始前，源节点发出建立电路请求，该请求在中间节点引起一些列接续过程，最终在源节点和目的节点间建立起一条合适的传输通道。
  • 数据传输：电路建立成功后，通信双方可以开始进行数据传输，整个传输期间，传输通道一直被独占
  • 拆除电路：通信结束后，可由任意一方发出拆除电路请求，然后各中间节点释放传输通道占用的线路资源

• 优点：通信时延小，有序传输，无冲突，适用范围广，实时性强，控制简单

• 缺点：建立连接时间长，线路独占，灵活性差，难以规格化

• 报文交换(Message Switching)

  • 存储交换 / 存储转发：对实时性要求不高的数据传输，中转节点先把收到的数据暂时存储起来，等到信道空闲时再把数据转发给下一节点，这样经过多个中转节点的处理，最后到达目标节点。

  • 报文：需要发送的数据块，每个报文包括三个部分：

    • 报头：包含报文号、源地址、目的地址，中间节点根据目的地址进行路由选择
    • 正文：要发送的数据块
    • 报尾：包含报文校验信息，用于差错检查和纠错

  • 报文交换是以报文为单位进行存储交换的技术

  • 如图Terminal 1与Terminal 2通信，有4个中间节点SW1 - SW4，报文经过SW1和SW2的存储转发(store and forward)，确定了一条传输线路。传输线路是动态分配的，如图通信双方有多条路径可选择，中间节点根据信道空闲状态动态选择。
    

    报文交换

  • 优点：

    • 无须建立连接，不存在建立电路，拆除电路过程的时延
    • 动态分配线路，发送方把报文交给交换设备时，交换设备先存储整个报文，然后选择合适空闲路线将报文发送出去
    • 线路可靠性高，能对报文进行差错检查，若有错，可让发送方重新发送；若中间节点发现某条线路有故障，可以选择其他转发路径。线路利用率高。

• 缺点：中间节点存储转发时延较大，有时延抖动现象；报文交换对报文大小没有限制，为存储报文的缓冲器分配带来困难；长报文出错要从头全部重发，影响传输效率。

• 分组交换(Packet Switching)
  

  • 分组：把待传输的报文拆分成若干个较小的数据块加上一些控制信息(如源地址，目的地址和分组编号等)构成分组，有可变长分组和固定长度分组。
    
    分组思想
  • 分组交换：以分组为单位遵照存储转发方式进行传输
  • 目的节点在收到所有分组后，按分组编号重组报文
  • 优点：无建立时延，线路利用率高，简化了存储管理，加速传输，减少了出错概率和重发数据量
  • 缺点：存在传输时延，需传输额外信息量，采用数据报服务时，可能出现失序、丢失或重复分组；虚电路服务时，有呼叫建立、数据传输和虚电路释放三个过程。
  • 分组交换可分为如下两类：
    • 数据报(无连接)

      • 每个分组都必须包含目的节点地址，交换网络对每个分组独立处理，独立路由，即每个分组可以走不同路径，故目的节点接收到各个分组的顺序可能与发送顺序不同

        
        
        数据报传输过程
      • 发送分组前无需建立连接，尽最大努力交付，不保证可靠性，分组可能丢失
      • 对网络故障适应能力强，分组传输时延较大
      • 收发双方不独占某条链路，资源利用率高
    • 虚电路(面向连接)

      • 源节点和目的节点相互通信前必须建立逻辑连接，即虚电路，可事先建立，也可临时建立。逻辑连接一旦建立后，就固定了与虚电路对应的物理路径，也就无需进行路由选择，仅在建立虚电路时执行一次路由选择，端系统每次建立虚电路时，选择一个未用过的虚电路号分配给该虚电路，以区别系统中其他虚电路。传送数据时，每个分组还需要额外的虚电路号，虚电路并不是实际的物理电路

      • 虚电路网络中每个节点都维持一张虚电路表，每个表项记录一个打开的虚电路信息，包括虚电路号，前一节点和下一节点的标识。数据传输是双向进行的。这些信息是在虚电路建立过程中确定的。

      • 虚电路通信过程三个阶段：虚电路建立，数据传输，虚电路释放
        

        虚电路传输过程

      • 提供了较可靠的通信功能，目的节点收到的分组顺序与源节点发送顺序相同。且可对两个数据端点的流量进行控制

      • 通信链路的建立和拆除需要时间开销，对长时间、频繁数据交换效率较高

      • 致命弱点：网络中某个节点或某条链路出现故障彻底失效时，所有经过该节点或链路的虚电路遭到破坏。

      • 仅需在请求建立虚电路的分组中指明目的节点地址(引路人)，分组传输时，只要在分组头部指明使用哪条虚电路即可，即分组头部不包含目的地址，包含虚电路标识符

      • 虚电路之所谓虚，是因为这条电路不是专用的

8.物理层设备和接口标准

• 物理层设备
  • 中继器
    • 主要功能：将信号整形并放大转发，以消除信号经过一长段电缆后产生的失真和衰减，使信号的波形和强度达到所需要求，进而扩大网络传输距离
    • 原理：信号再生
    • 中继器两端是网段，而非子网，且两个网段的协议相同，使用中继器连接的几个网段仍然是一个局域网，不能连接两个不同速率的局域网，中继器无存储转发功能
    • 放大器放大的是模拟信号，中继器放大的是数字信号
  • 集线器 Hub
    • 实质：多端口中继器；目的：扩大网络传输范围；信号传输方向固定
    • 两个作用：信号放大，转发
    • 交换式网络中，Hub直接与交换机相连，将交换机端口的数据送到桌面上
    • Hub只能在半双工状态工作，无法分割冲突域，所有集线器的端口都属于同一个冲突域
• 物理层接口标准
  • 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定锁定装置等
  • 电气特性：指明在接口电缆上各条线出现的电压范围
  • 功能特性：指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义
  • 规程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序