物理层的基本概念

传输媒体的接口的一些特性

• 机械特性
  • 接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等。
  • 各种规格的接插件都有严格的标准化的规定。
• 电气特性
  • 规定了信号线的电气连接及有关电路特性
    • 发送器和接收器的电路特性、负载要求、传输速率和连接距离等。
    • 发送信号电平、发送器和接收器的输出阻抗、平衡特性等。
• 功能特性
  • 描述接口执行的功能，定义接线器的每一引脚的作用。
  • 某条线上出现某一电压的意义。
• 过程特性
  • 对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

利用数字信号传递信息的系统

• 信源编码：用尽可能少的信号来表示信息；必要时，将信源的模拟信号转换成数字的 ；信源译码是其逆变换
• 加密和解密是可选的
• 信道编码：增加冗余信息以提高数字信号的抗干扰能力；信道译码是其逆过程
• 数字调制：将数字基带信号的频谱搬移到高频处，形成适合在信道中传输的数字频带信号
  • 某些近距离有线传输无需调制。

基本术语

• 信息(information)——对客观事物属性的认识
• 数据(data)——反映客观事物属性的记录
  • 数据是信息的具体表现形式
  • 数据携带的内容，就是信息。
• 信号(signal)——数据的电气的或电磁的表现。

信号分类

• 模拟信号：信号的参量取值连续（不可数、无穷多），比如电话话筒的输出电压。
• 数字信号：信号的某一参量取值离散（仅可能取有限个值），比如计算机内部总线上的信号（两个电压）。
  • 离散是指信号的某一参量是离散变化的，不一定在时间上是离散的。

通信

• 模拟通信：以模拟信号来传送数据的通信方式称为模拟通信，而传输模拟信号的通信系统称为模拟通信系统
• 数字通信：以数字信号来传送数据的通信方式称为数字通信，而传输数字信号的通信系统称为数字通信系统
• PS：模拟信号和数字信号在传输过程中可以相互变换，即A/D和D/A
• 基带信号
  • 信源发出的原始信号（数字信源发出数字基带信号，模拟信源发出模拟基带信号）
  • 特点是频率较低，仅仅适合于近距离传输
• 带通信号/频带信号
  • 在通信中，由于基带信号具有频率很低的频谱分量，出于抗干扰和提高传输率考虑一般不宜直接传输
  • 需要把基带信号变换成其频带适合在信道中传输的信号，变换后的信号就是频带信号
    通常适于长距离传输

通信方式:

• 单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。
• 双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。
• 双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。
  • 最起码要有两个信道

传输方式

• 按照传输数据的时空顺序，传输方式可分为两类
  • 串行传输 指数据在一个信道上按位依次传输的方式
  • 并行传输 指数据在多个信道上同时传输的方式
• 按照发/收两端实现同步的方法：
  • 异步传输：一般以字符为单位，发送端可以在任意时刻开始发送字符；必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即开始位和停止位，以便接收端能够正确地将每一个字符接收下来
  • 同步传输：不是独立地发送每个字符，而是以帧作为整体传输，并做到：
    ①发/收之间的位同步
    ②每一帧建立同步标志，建立帧同步
  • 同步传输方式中发送方和接收方的时钟是统一的、字符与字符间的传输是同步无间隔的
  • 异步传输方式并不要求发送方和接收方的时钟完全一样，字符与字符间的传输是异步的

连接方式

• 为适应不同的需要，通信线路采用不同的连接方式
  • 点到点
  • 点到多点传输/广播传输

信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰
信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重

• 延迟变形：信号的各种的频率成分传播速度不同
• 衰减：信号能量的减少
• 噪声：其他信号的干扰

信号的带宽（bandwidth）

• 数字信号的传输可以看成是无限个傅立叶分量构成的信号在信道中传输
  • 因此，可以认为数字信号的频率范围的宽度是无限的
• 但是，信号的绝大部分能量集中在相当窄的频率范围内，这个频率范围的宽度被称为有效带宽，简称带宽

传输介质的带宽

• 传输介质在传输过程中要损失一些信号能量，即信号会衰减
• 传输介质对不同傅里叶分量的衰减不相同，因此信号会变形
  • 通常，频率越高，衰减就越严重
• 传输过程中振幅不会明显减弱的这一段频率范围称作传输介质的带宽。通常指从0到某一个能够保留一半能量的频率处

传输速率

• 码元：一个信号，在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。
• 比特：二进制中的位
• 码元传输速率B（信号传输速率、波特率）
  • 每秒传输的码元数（信号数）
• 信息传输速率S（数据传输速率、比特率）
  • 定义：每秒传输的比特数
• 两者的关系：$S＝B×\log_{2}{V}bps$
  • V：不同码元的个数

信道的极限容量

• 任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。
• 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

限制码元在信道上的传输速率的因素有两个

• 信道带宽（信道能够通过的频率范围）
• 信噪比
  具体的信道所能通过的频率范围总是有限的，如果信号中的高频分量在传输时受到衰减，那么在接收端收到的信号波形前沿和后沿就变得不那么陡峭了，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限。这种现象叫作码间串扰。

奈奎斯特(Nyquist)准则

• 理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud
• 每赫带宽的理想低通信道的最高码元传输速率是每秒 2 个码元。
  比特率为$2W*\log_{2}{V}$