2 物理层（一）：数据通信的基本概念

目标

主要内容：

• 了解数据通信的基本概念和主要技术指标
• 了解数据通信系统的组成
• 掌握数字和模拟数据的编码和调制方法
• 了解数据并行和串行传输方式
• 掌握同步和异步传输技术
• 掌握FDM、TDM和WDM三种多路复用技术及适应场合
• 了解有线传输介质和无线传输技术掌握物理层的作用、特性和协议

计算机网络由通信子网和资源子网组成，OSI/RM中，通信子网包括物理层、数据链路层和网络层三层。计算机网络中的数据通信是为了实现计算机之间的数据交换，因此计算机网络本质上是数据通信的问题。

1 数据通信的基本概念

1.1 数据通信的基本概念

1、数据

数据（data）是事实或观察的结果，是对客观事物的逻辑归纳，是用于表示客观事物的未经加工的的原始素材。而在计算机系统中，各种字母、数字符号的组合、语音、图形、图像等统称为数据，数据经过加工后就成为信息。
数据分为模拟数据和数字数据两种。

• 模拟数据在时间和幅度取值上是连续的，例如声音的强弱，温度的高低等都是连续变化的模拟数据。
• 数字数据在时间上是离散的，在幅度上是经过量化的，例如计算机内部传输的二进制数字序列就是离散的数字数据。

2、信息

信息（Information）是按照一定要求以某种格式组织起来的数据。

数据和信息的区别是：数据仅涉及事物的表示形式，而信息涉及数据的内容和解释。表示信息的形式可以是数值、文字、图形、声音、图像及动画等。

在数据通信中，为了传输信息，需要对信息中的每一个字符进行编码，例如用二进制代码来表示字符，最常用的二进制代码标准是美国标准信息交换码ASCII（American Standards Code Information Interchange），ASCII代码表参见附录B。对于计算机系统，要考虑的是信息用什么编码表示，而在数据通信中，主要考虑数据的表示形式和传输方法。

3、信号

信号（Signal）是数据的具体物理表现，是表达信息的一种载体，如电信号、光信号等。
根据数据表示方式不同，信号分为模拟信号和数字信号两种，如图2.1 所示。

• 模拟信号是一种随时间而连续变化的量值波形，
• 数字信号则是那些不连续变化的离散量值波形。
  
  上图是模拟信号、数字信号的波形

使用模/数转换装置实现模拟信号和数字信号之间的相互转换。
一般情况下，数字信号与模拟信号相比，更经济，抗干扰能力更强，失真小，信号衰减相对较大大，传输距离短。

4、信道

信道（Signaling Channel）是指传输信息时信号沿发送端到接收端的通路。

• 在计算机网络中有物理信道和逻辑信道之分
  • 物理信道是传输信号的物理通路，由传输介质及相关通信设备组成，也称为通信链路。
    • 物理信道按传输信号类型可分为模拟信道和数字信道
      • 模拟信道适合于传输模拟信号
      • 数字信道适合于传输数字脉冲信号。
      • 数字信号通过调制解调设备也可在模拟信道中传输，而模拟信号进行数字化后也可在数字信道中传输。
    • 物理信道按传输介质又可分为有线信道、无线信道
      • 有线信道有电话线、双绞线、光缆等
      • 无线信道可以是无线电、微波、红外线和卫星信道等，它们都以电磁波的形式在空间传播
  • 逻辑信道也是一种通路，它建立在物理信道基础上，一个物理信道可以提供多个逻辑信道
• 按信道的使用方式还可分为专用信道（专线）和公共交换信道。

5、通信和数据通信

通信（Communication）就是信息的传输与交换。每个通信系统都具备信源、信道和信宿三个基本要素：

• 信源是信息产生和出现的发源地，
• 信宿是接收信息的目的地
• 信道是信息传输过程中承载信息的媒体

数据通信（Data Communication）是以传输数据为业务的通信，它分为模拟数据通信和数字数据通信两种。

6、数据通信网

数据通信网（Data Communication Network）就是数据通信系统的网络形式，它是广域通信网或计算机网络等基础通信设施，属于通信子网。例如X.25、B-ISDN、ATM、FDDI等。

7、码元和码字

码元（Symbol）是一个信号编码单元，它是数据的基本信号单位，计算机网络中一般把数字序列中的每一个脉冲称为码元。例如二进制数字1010011 是由7 个码元组成的二进制字符串序列，这个字符串序列通常称为“码字”。在7 位的ASCII代码中，码字“1010011”代表字符“S”。

8、数据分组

计算机网络在传输数据时，一般把较大的数据块分成较小的数据段（Segment），并在每一段上附加一些如分组号、源地址、目的地址、差错校验等控制信息，每个数据段和相应的控制信息就是一个分组（Packet），它在网络系统中是一个传输单位。

在实际传输时，还会将分组进一步分割成更小的逻辑单位。在不同的网络或不同的层中，分组名称也不同，如在Ethernet中称为“帧（Frame）”，ATM中称为“信元（Cell）”，IP中称为“IP数据报（IP Datagram）”等。

通常数据分组也称为数据包。

9、基带传输、频带传输和宽带传输

通信系统中传输的信息都要借助于物理信号，如电流、电磁波和光信号等。物理信号可以是连续的模拟信号，也可以是离散的数字信号，两种信号通过编码或调制等方法可进行相互转换。它们所采用的通信系统可以是模拟通信系统，也可以是数字通信系统。

基带传输

通信系统中所指的基带传输是指在传输信号时，用表示信息的原有信号形式（模拟数据用模拟信号传输，数字数据用数字信号传输）进行。

在计算机网络中，计算机或终端等数字设备产生的是数字数据，其对应的电脉冲信号是数字信号，它所占据的频率范围通常从直流和低频开始。这种原始的数字信号（电脉冲信号）称为基带信号。

基带信号所占用（固有）的频率范围称为基本频带，简称基带（Baseband）。

在信道中直接传输基带信号的传输方式就称为基带传输，或者说基带传输是数字数据直接在信道中传输。因此，计算机网络和通信中的基带概念虽然名字相同，但含义不同。局域网系统大都采用基带传输，如以太网、令牌环网等。

基带信号缺点：

• 基带信号的信号频率低，其占用的频带宽，不利于信道的复用，抗干扰能力差
• 基带信号容易发生衰减和畸变，不利于远距离传输

基带传输的特点：

• 最简单、最基本的传输方式
• 由于基带信号衰减的问题，多适用于各种传输速率的要求的近距离数据传输。

频带传输

基于上述基带信号的缺点，远距离通信信道多为模拟信道，一般采用频带传输方式。

频带传输是首先将基带信号变换为较高频率范围的频带信号，频带信号是模拟信号（如音频信号），然后将这种频带信号放到模拟信道中传输。计算机网络的远距离通信通常采用频带传输，如家庭用户使用MODEM接入Internet就是频带传输的例子。

宽带传输

宽带在电信界是指带宽大于语言级信道（4kHz）的信道，它包括大部分电磁波频谱。利用宽带信号进行的传输称为宽带传输，宽带传输采用频带传输技术，但频带传输不一定是宽带传输。

计算机网络中宽带传输采用模拟传输的技术，它将不同频率的多种调制信号在同一传输线路中传输。因此，宽带传输能将声音、图像和数字数据等信息综合到一个物理信道上。

在数据通信中，宽带有另外的含义。当网络的传输速率超过2Mbps时，称为宽带网，而传输速率低于2Mbps时，称为窄带网。

1.2 数据通信的主要技术指标

数据通信的技术指标是衡量网络性能的参数，主要从传输速率的快慢和传输数据的质量来考虑。数据传输速率有比特率（信息速率）和波特率（调制速率）两种度量方法。而传输数据的质量可以用误码率、延迟、抖动和丢包率等来度量。

数据通信的主要技术指标

带宽、数据传输速率和信道容量的区别

时间单位和模拟信号的周期用s（秒）、ms（毫秒）、μs（微秒）、ns（纳秒）和ps（皮秒）等表示，常用的换算单位为：
1ms=10^-3s
1μs=10^-6s
1ns=10^-9s
1ps=10^-12s

1.3 数据通信系统

1、数据通信系统基本模型

数据通信是按照一定的通信协议，在两点或多点之间通过某种传输媒介（电缆、光缆），以数字二进制信息单元的形式交换信息的过程。

由于计算机或终端设备一般都是数字式的，数据通信系统所要传输的数据信息（包括控制信息）是二进制数字数据，在信息发送前，必须先将其转换为信号

下面是点到点的数据通信系统的模型：

编（译）码器

编（译）码器（也称通信控制器）。负责DTE和通信线路的连接，完成数据缓冲、速度匹配、串并转换等。微机内部的异步通信适配器和网卡等都是通信控制器。

• 发送端的编（译）码器将信息通过ASCII代码（或其他编码）转变为0和1的二进制模式，然后将这些二进制并行数据，转换成适合线路传输的串行数据序列，
• 接收端的编（译）码器将传输来的串行数据序列转换成并行数据，还原成信息。
  

信号变换器和信道

通信线路包括信号变换器和信道。

• 信号变换器的功能是将通信控制器发出的二进制数字序列，根据不同信道的传输特性，变换为适合于信道传输的数字信号或模拟信号，然后送入信道传输。而接收端的信号变换器完成相反的工作。如调制解调器、光纤通信网中的光电转换器等就是信号变换器。
• 信道可以是有线信道或无线信道。

2、模拟通信系统和数字通信系统

由信源得到的模拟数据电信号，变成适合信道传输的电信号后，若其电流或电压仍然是随时间连续变化的，则称为模拟通信系统。例如电话系统、电视系统等就是典型的模拟通信系统。

当信源发出的信号是离散的数字数据时，通过信道传输到信宿的信号都是数字信号，则这种系统称为数字通信系统。

数字通信系统的特点：

• 费用低，
• 抗干扰（如噪声等）能力强
• 不易失真
• 易衰减，只能近距离传输，例如数字信号难于用卫星或微波系统发送
• 采用数字电路，其设备便于集成化和微型化

3、信号衰减的克服

不同信号传输距离不同，抗衰减的方法也不同

• 信道远距离传输模拟信号时会使信号衰减
  • 解决方法：用放大器来增强信号的能量，但噪声分量也会同时增强，以致引起信号畸变
• 数字信号传输一定距离后也会衰减
  • 解决办法：使用中继器，把数字信号“0”、“1”整形恢复为标准电平后继续传输。

一般情况下信号在不放大或整形的情况下，模拟信号比数字信号传输距离要远。