数据通信基础与物理层
通信系统模型
- 信源:将各种
信息
转换成原始物理信号
(如计算机、手机、电话机等) - 信宿:将
物理信号
->信息
(如计算机、手机、电话机等) - 信道:传输
信号
的一条通路 - 变换器 / 反变换器:对原始
物理信号
进行变换 / 反变换,适合在给定信道
上传输(如光 / 电转换器等) - 噪声源:信道自身的噪声以及周围环境对信道的干扰(如热噪声、闪电、电磁场干扰等)
模拟通信与数字通信
- 模拟信号:信号在传输过程中
连续
变化 - 数字信号:信号在传输过程中
离散
变化
- 优点:
1. 抗干扰能力强
2. 适合远距离传输
3. 有利于安全性
4. 适合多媒体信息传输
信号带宽 (H)
信号能量
所集中的 频率范围
,记为H。
H = 4000 - 3200 = 800
信道带宽
信道允许传输信号的频率范围,单位为Hz。
例:语音信号占用的频谱为300~3400Hz,那么带宽为:
H = 3400 - 300 = 3100Hz
- 信道:传输信号的一条通路。一条物理线路可同时服用 多个 信道
- 信号率:
- 数据率:信道每秒最多传输的二进制位数,单位为bps
信道带宽与数据率的关系
奈奎斯特定理 (无噪声信道)
C = 2H log_2L (bps)
C 为信道的数据率(容量);H为信道带宽;L为数字信号的离散取值数目
香农定理 (有噪声信道,L不受限)
C = H log_2(1+S/N) (bps)
S为信号功率,N为噪音功率,S/N为信噪比
例:H = 4000Hz,S/N = 1023,L = 8;求C
1. 由 奈奎斯特定理:
C = 2H log_2L = 2 * 4000 log_28 = 24000 (bps)
2. 由 香农定理:
C = H log_2(1+S/N) = 4000 log_2(1+1023) = 40000bps
所以信道最大数据率为24000bps
波特率
又称码元速率,是指每秒传输码元的数目,单位为波特(Baud)
- 若码元的离散取值数目为L,波特率为B,数据率为C,则:
C = B log_2L
数字信号的编码
数字信号的编码:用何种物理信号来表示 “0” 和 “1”
非归零编码(NRZ)
以 高
电平表示 0
,低
电平表示 1
,反之亦然。
- 优点:编 / 译码简单
- 缺点:内部不含
时钟信号
,收 / 发端同步
困难 - 用途:计算机内部或低速数据通信
曼彻斯特编码
每一次中间有一次跳变,既表示 数据
,又作为 同步信号
从高电平 -> 低电平表示 0
,从低电平 -> 高电平表示 1
- 优点:
- 内部自含
时钟
,收 / 发端同步
容易 - 抗干扰能力强
- 内部自含
- 缺点:
- 编 / 译码较复杂
- 占用更多的信道带宽,在同样的波特率的情况下,要比非归零编码多占用一倍
信道带宽
- 用途:802.3局域网(以太网)
差分曼彻斯特编码
每一位中间有一次跳变,但这种跳变 仅
作为 同步信号
,不表示 数据
数据值
通过每位 开始
时 有无跳变
来表示;有跳变表示 0
,无跳变表示 1
- 优点:
- 内部自含
时钟
,收 / 发端同步
容易 - 比曼彻斯特编码的
抗干扰能力
更强
- 内部自含
- 缺点:NRZ
- 编 / 译码较复杂
- 同样需要多占用一倍
信道带宽
- 用途:802.5局域网(令牌环网)
数据同步方式
- 同步:
接收端
按照发送端
发送代码的频率
和起止时间
来接收数据。 - 同步方式主要有两种:
- 字符同步(异步通信)
仅针对一个字符
内所含的二进制位进行同步- 优点:被限制在一个字符内,不产生太大的积累误差。因此对同步精度要求不高,
同步容易
。 - 缺点:每个字符均有起始 / 停止位,因而
传输效率
较低 - 适用:低速通信
- 优点:被限制在一个字符内,不产生太大的积累误差。因此对同步精度要求不高,
- 位同步(同步通信)
针对一个数据块
内所含的二进制位进行同步- 优点:每个数据块仅需要2个同步位模式的额外开销,因而
传输效率
高 - 缺点:由于一个数据块所含位数较多,易产生时钟漂移积累误差而导致数据出错,因此对同步精度求高,
同步困难
。例:设数据块为1K字节,则每次连续同步位数为1024x8=8192位。
- 优点:每个数据块仅需要2个同步位模式的额外开销,因而
- 实现同步的两种方法:
- 外同步:为发送端和接收端提供专门的同步时钟信号
- 内同步:不单独发同步时钟信号,而是将同步信号嵌入数据编 码内部, 如曼彻斯特编码或差分曼彻斯特编码。
多路复用技术
- 将多个信道复用在一条物理线路上,使一条物理线路能够同时传输多路数据信号
- 分类:
- 频分多路复用 (FDM)
将一条物理线路的总带宽分割成若干个较小带宽的子信道,每个子信道传输一路信号。 - 时分多路复用 (TDM)
将一条高速物理线路的传输时间划分成若干相等的
时间片,轮流
为多路信号使用
数据不丢失条件:C_H >= sum(C_i) (C_H 为高速线路容量(数据率)C_i 为低速线路容量)缺点:`没有数据`传输的低速线路`仍`分配时间片,可能`出现空闲的时间片`,浪费信道带宽
- 统计时分多路复用 (统计TDM)
- 采用
动态分配
时间策略,即有数据要传输
的线路才分配
时间片 - 允许 CH < sum(Ci)
- 优点:不会出现空闲的时间片,信道利用率高
- 采用
- 频分多路复用 (FDM)