计算机通信与网络（二）—— 物理层（一）—— 数据与信号
目录
前言
一、模拟与数字
二、周期模拟信号
三、数字信号
四、传输减损
1.衰减
2.失真
3.噪声
（1）热噪声（Thermal）
（2）互调噪声（Intermodulation noise）
（3）串扰（Crosstalk）
（4）冲激噪声（Impulse noise）
4.系统性能指标
五、数据速率（比特率）限制
1.无噪声通道
2.噪声通道
六、性能
1.带宽
2.吞吐量
3.时延
总结
前言
第二章的网络模型/网络体系结构内容较为简单，简单来说需要注意的是OSI七层模型内容及传输过程及功能，TCP/IP协议族所定义的四层结构以及与OSI结合而成的物理层、数据链路层、网络层、运输层和应用层，TCP/IP协议族的应用网络中使用的4层地址：物理地址——数据链路层、逻辑地址——网络层、端口地址——传输层、专用地址——应用层，以上了解概念即可，后面会细说，所以就不单独放一篇文章了，这篇文章主要讲物理层中的数据与信号。物理层负责从一个结点到另一个结点的二进制数据传输，数据要传输必须被转换成电磁信号，因此就产生了数据与信号之间的联系。
一、模拟与数字
模拟数据：连续状态的信息，采用连续值；数字数据：离散状态的信息，采用离散值。
模拟信号：幅值连续变化的电磁波信号，可以在各种物理媒介上进行传播；数字信号：电压脉冲序列，用恒量电压来表示数字数据，可以在有导向的传输介质上传播。
模拟数据可以通过模拟调制技术用模拟信号表示，也可以通过抽样PCM用数字信号表示；数字数据可以通过数字编码技术用数字信号表示，也可以通过数字调制用模拟信号表示。
在数据通信中，通常使用周期模拟信号和非周期数字信号传输数据。
模拟传输（将信息在传输介质中以模拟信号的形式进行传输）：在传输一段时间后，信号会衰减，可以使用放大器增强信号能量，但也增强了噪声，所以抗干扰能力差。
数字传输（将信息在传输介质中以数字信号的形式进行传输）：数据的完整性会受到衰减、噪声或其他损伤的威胁，使用转发器（中继器）可以接收信号并将其恢复到1,0模式，即重新生成数字信号，克服了衰弱，噪声也不会积累。
二、周期模拟信号
周期模拟信号可以分为简单类型或复合类型两种。简单类型模拟信号，即正弦波(sine wave)，不能再分解为更简单的信号。复合型模拟信号则是由多个正弦波信号组成的。
正弦波
，决定波是否相同的三个参数：幅度（A）、频率（f）和相位（
）具体含义如数学、物理中所讲。
正弦波的时域图
正弦波的频域图
时域图与频域图由傅里叶变换进行相互转换。由图可知，用频域图中单个峰值可表示时域图中一个完整的正弦波，频域图中所表示的复合信号更直观。如果复合信号是周期性的，分解得到的是一系列具有离散频率的信号。如果复合信号是非周期性的，分解得到的是具有连续频率的正弦波组合。
复合信号的带宽：信号最高频率与最低频率的差值。
绝对带宽：信号所占据的频谱宽度。
有效带宽：信号大部分能量集中在相当窄的频带范围内，通常用半功率带宽作为有效带宽，即功率谱下降至其功率峰值的一半时，或低于其峰值3dB（后面会有dB分贝的概念解释）时频率的宽度。
信号带宽要小于等于传输带宽，才能使数据准确。
三、数字信号
电平与电平位数：一个数字信号有L个电平，那么每个信号电平用
（取上整）位表示，也可以说每个电平可表示（取下整）位。
比特率（数据率）：每秒传送的比特(bit)数，单位为bps(bits per second)
位长：一个位在传输介质上的距离。位长=传播速度
位持续时间
传输方式：基带（baseband）传输和宽带传输
基带传输就是通过通道发送数字信号，该信号不转换成模拟信号。传输信号所用的是一个宽带下限频率为0的低通通道（low-pass channel），数字信号可以看做无数大带宽的复合模拟信号，所以传输就有两种情况：宽带宽的低通通道和有限带宽的低通通道。
宽带宽的低通通道：带宽边界的频率幅度太小以至于可以忽略不计，如果介质具有很宽的带 宽（如：同轴电缆或光纤），两个站就可以使用比较准确的数字信号进行通信。
只有我们有无穷大或非常大带宽的低通通道，保持数字信号形状的数字信号基带传输才是有 可能的。
有限带宽的低通通道：在有限带宽的低通通道中，我们把数字信号近似成模拟信号。近似的 程度取决于可用的带宽。近似也可分为大致近似和更好近似。
大致近似是能够用频率为0、N/4和N/2的正弦波来近似数字信号，如下图所示。
所以所需要的宽带是N/2-0=N/2。
更好近似是用更多的频率的正弦波叠加来近似数字信号。因此带宽一定大于等于N/2。
由此可以看出带宽与比特率成正比。一般默认使用大致近似，B=N/2。
带宽传输就是把数字信号转换成模拟信号传输，使用带通通道（bandpass channel），即带宽不从0开始的通道。
数字信号调制的过程如图所示：
四、传输减损
信号在传输过程中存在衰减、失真和噪声，以至于会出现减损。
1.衰减
信号强度随距离增长而减弱，衰减程度与传输媒介有关，对于有导向的传输媒介，通常呈指数变化，常常可以表示为单位距离的常数分贝值；对于非导向的传输媒介，衰减是距离的复杂函数，与大气成分有关。
解决方案：定距离使用放大器或转发器增强信号。
衰减也是频率的函数，频率越高，衰减越严重，会导致信号严重失真。
解决方案：采用衰减均衡技术，使得各频率成分的衰减程度相当，不至于信号严重失真——利用加感线圈改变线路的某些电气特性，使用放大器。
分贝（decibel,dB）：用于计算两种信号之间或者同一信号在两个不同位置之间的相对强度。
有时候分贝用来以毫瓦计量信号功率。这种情况下，它成为
，这里
是以毫瓦为单位的功率。当涉及计量多处（级联）而不仅仅是两处的信号强度时，分贝数可以相加减。如：
2.失真
这里讲的失真指的是时延失真，因为在有导向的媒介中，信号传播速度随频率不同而变化，靠近中心频率传播速度最快，两侧较慢，接收到的信号因其频率成分延迟的不同产生了失真。
解决方案：均衡技术，即利用均衡器将相位对齐。
数字信号受衰减而失真的影响较小，因为频率特定（绝大部分内容集中在基频附近）、幅度特性（二值判定），受时延失真影响较大，某个比特的一些频率成分会溢出到其他比特上，产生比特序列混乱；模拟信号主要受衰减影响，因为幅值连续变化，信息分布在整个频带。
3.噪声
传送和接收之间的某个地方插入进来的不希望有的信号为噪声。
（1）热噪声（Thermal）
热噪声由导体内电子热运动造成，存在于所有的电子设备和传输媒体中，是温度的函数。 热噪声均匀的分布在通信系统的整个频率范围内，因此称为白噪声。 热噪声是无法消除的，为通信系统的性能带来一个上限。热噪声的频谱：
其中，
，
，T为热力学温度，单位为K（开尔文）。
热噪声的功率为
，单位为W（瓦），若用分贝-瓦表示
其中
，有的资料也会表示成
，都是以10为底取对数的意思
（2）互调噪声（Intermodulation noise）
互调噪声产生于当发送设备、接收设备及它们之间的传输系统中存在某些非线性因素，或者产生于当不同频率的信号共用同一传输媒质时。互调噪声在系统的输出端产生一些附加的频率成分，它们是多个原输入信号的频率之和或差，甚至这些频率的多倍数的组合。互调噪声可以用人为的方法，通过校正其中的非线性部分地得以补偿。
（3）串扰（Crosstalk）
由不同信号通道之间的耦合产生。比如载有多路信号的相邻双绞线之间，同轴电缆中偶尔也会产生，无线媒体中天线微波中也会产生。举例：在打电话时听到别人的声音。
（4）冲激噪声（Impulse noise）
冲激噪声是不规则脉冲或尖峰，持续时间短，振幅较大，一般是外部电磁波的干扰，对数字通信影响比较大。
4.系统性能指标
有效性——消息传输的速度
可靠性——消息传输的质量
两个指标是互相矛盾的
模拟通信系统中
有效性——单位时间内传送的信息量
可靠性——信噪比：SNR=信号功率/噪声功率（SNR越大说明抗干扰能力越强）
数字通信系统中
有效性——数据传输速率：每秒钟传输码元或比特的个数（bps）
可靠性——误码率（pe）：错误接收的码元数占传送总码元个数的比例
误比特率（pb）：错误接收的比特数在传送总比特中所占的比例
五、数据速率（比特率）限制
数据速率——在通道中能够以多快的速率发送数据，即每秒钟的比特数。
数据速率取决于三种因素：1. 有效带宽 2. 使用的信号电平数 3. 通道的质量（信道损伤）
1.无噪声通道
奈奎斯特比特率公式定义了无噪声通道理论上的最大比特率： 比特率 = 2×带宽× log2L
（带宽为通道的带宽，L为信号电平的数量）
由公式可见，在通道的宽带恒定的情况下，我们可以增加不同信号单元的个数来提高数据率，但是接收器的负担会加重，需要从M个可能的信号中区分出一个来，会减弱系统的可靠性。
2.噪声通道
香农容量定理能够确定噪声通道理论上最高数据速率： 通道容量 = 带宽× log2(1+SNR)
（带宽为通道的带宽，SNR为信噪比，通道容量是指通道的传输容量，即每秒的比特数）
香农公式没有指出信号电平，说明无论使用多少电平，都不可能获得比通道容量更高的数据速率。 香农公式定义了通道特性，而不是传输方式。
由公式可见，如果SNR小到为0，通道容量也会为0，换句话说，通过该通道不能接收到任何数据。
香农容量定理给出数据速率的上限， 奈奎斯特公式给出所需的信号电平数。
六、性能
1.带宽
在网络中，我们在两种情况下使用术语带宽：
❏ 第一种，以赫兹衡量的带宽指复合信号包含的频率范围或者通道能通过的频率范围。
❏ 第二种，以每秒比特数衡量的带宽指通道或链路中位传输的速率。
2.吞吐量
衡量通过网络发送数据的快慢，指网络每秒钟平均传输的位数。
3.时延
传输时延（发送时延）：发送数据时，数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间，等于报文长度（比特）/信道带宽（比特/秒，bps）（信道带宽：数据在信道上的发送速率，常称为数据在信道上的传输速率）
传播时延：电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间，等于信道长度（米）/信号在信道上的传播速率（米/秒）（注意：传播速率不等于传输速率）
处理时延：交换结点为存储转发而进行一些必要的处理所花费的时间。一般为常量。
排队时延：结点缓存队列中分组排队所经历的时延。
数据经历的总时延就是传输时延、传播时延、处理时延和排队时延之和。
计算时注意1个字节8个比特！！！
传输时间=报文总比特数/带宽
传播时间=发送方和接收方间距离/ 光在传输媒介中传输速率（信号默认以电磁波形式传送）
报文较短而带宽较高时，主导因素是传播时间而不是传输时间；报文较长而带宽不是很高时，主导因素是传输时间而不是传播时间。
带宽时延积（时延带卷积）即时延与带宽的乘积。我们把两点间的链路看做管道。管道的横截面表示带宽，管道的长度表示延迟，我们可以说管道的容量定义了带宽延迟乘积。带宽延迟乘积又称为以比特为单位的链路长度，定义了能充满链路的位数。
总结
本篇文章对数据、模拟信号、数字信号、传输损伤、数据速率和网络的性能进行了讨论，从概念中可以构建出数据在物理层传输的宏观模型，后面会详细讲传输过程，未完待续……