計算機網絡(7)—

1.數據通信基礎

1.1 物理層基本概念

物理層(Physical Layer)是所有網絡通信的物理基礎，它定義了在物理介質上傳輸原始比特流(0和1)所需的機械、電氣、功能、過程和規程特性在這里插入圖片描述

1.2 數據通信系統模型

信源：生成原始數據的終端設備，常見形態包括：
數字設備：計算機、手機
模擬設備：麥克風、攝像頭

發送設備：負責將原始信息轉換為適合傳輸的信號形式，主要的功能有編碼和調制

信道：信息傳輸的媒介或路徑，通常分為：
物理信道：指實際的傳輸介質，如光纖、電纜
邏輯信道：指在物理信道上通過協議或技術劃分的虛擬通道，如時分復用(TDM)或頻分復用(FDM)形成的子信道

噪聲源：自然界和通信設備所產生的干擾

接收設備：負責從傳輸介質中恢復原始信息，主要的功能有解碼和解調

信宿：數據接收終端，將信息轉換為供人們能識別的消息。典型設備如顯示器、打印機等

1.3 常見數據通信術語

數據(data)：傳送消息的實體，如文本、音頻、視頻等

信號(signal)：指通過傳輸介質(如電纜、光纖或無線信道)傳遞的電磁波或光波，用于承載數據。信號可分為兩大類

模擬信號(Analog Signal)：是連續變化的波形，通常用幅度、頻率或相位的變化表示信息。例如傳統電話線傳輸的語音信號
數字信號(Digital Signal)：是離散的二進制序列(0和1)，通過脈沖或電平變化表示數據。例如以太網或Wi-Fi傳輸的數據包

載波(Carrier Wave)：是一個特定頻率的高頻電磁波(通常是正弦波)，其核心作用是充當“運輸工具”，用來“搭載”或“運載”我們需要傳輸的信息信號(如語音、音樂、數據、圖像等)

你可以把它想象成一列空載的火車(載波)，我們需要把貨物(信息信號)裝到這列火車上，才能有效地把貨物運送到遠方(接收端)

數據通信方式：

單工：數據只能單向傳輸，一方固定為發送端，另一方為接收端。例如廣播、電視信號
半雙工：數據可雙向傳輸，但同一時間只能單向傳輸。例如對講機
全雙工：數據可同時雙向傳輸。例如電話通信、現代以太網和TCP/IP協議

并行通信：通過多條數據線同時傳輸多個數據位，每個時鐘周期可傳輸一個完整的數據字(如8位、16位)
串行通信：通過單條數據線逐位傳輸數據

同步通信：要求發送方和接收方在通信過程中保持時間上的嚴格同步。發送方發送數據后，需等待接收方的響應或確認，才能繼續下一步操作
異步通信：發送方發送數據后無需等待接收方響應，可繼續執行其他任務。接收方通過回調、事件通知等方式處理數據

1.4 信源編碼PCM

Question：如果信源產生的是模擬信號，如何在數字通信系統中傳輸？

脈沖編碼調制(Pulse Code Modulation，PCM)是一種將模擬信號轉換為數字信號的信源編碼技術。其核心過程包括采樣、量化和編碼三個步驟

采樣(Sampling)：用一系列在時間上離散的采樣值，代替時間上連續的模擬數據，即實現時間上的離散化
量化(Quantization)：使采樣值在取值上離散化
編碼(Encoding)：將量化后的采樣值用一定的二進制數來表示。如果量化級數為N，則每個采樣值就編碼成log2^N位二進制數

2.物理介質

2.1 導引型傳輸介質

概念：指信號沿固定路徑傳播的物理通道，常見于有線通信

下面是幾種典型的導引型介質：

1.雙絞線(Twisted Pair)：由兩根絕緣銅導線按螺旋形式相互絞合而成，通過絞合減小環路面積從而降低電磁干擾

屏蔽雙絞線(Shielded Twisted Pair)：含金屬屏蔽層(鋁箔/銅網)，包裹線對或整體線纜
非屏蔽雙絞線(Unshielded Twisted Pair)：僅通過雙絞結構抵消干擾，無額外屏蔽層

2.同軸電纜(Coaxial Cable)：由四層構成，具有良好的抗干擾能力

內導體：中心銅線，傳輸信號
絕緣層：包裹內導體的介質(如聚乙烯)，阻抗固定
外導體：金屬編織網或箔層，提供電磁屏蔽
護套：外層保護材料(如PVC)

3.光纖(Optical Fiber)：利用全反射原理傳輸光信號。當光從高折射率介質(纖芯)射向低折射率介質(包層)時，若入射角大于臨界角，則發生全反射

單模光纖(Single Mode Fiber)：只允許一種模式的光信號傳播，光線幾乎沿直線傳播，幾乎沒有反射。適合長距離傳輸
多模光纖(Multi Mode Fiber)：允許多種模式的光信號同時傳播，光在纖芯中以不同的角度反射和折射。適合短距離傳輸

2.2 非導引型傳輸介質

概念：指不需要物理線路引導信號的傳播媒介，主要依賴電磁波在自由空間中的傳播特性。所以這里重點討論信號傳輸的方式，而不是介質

電磁波在自由空間中的傳播
不同頻段具有不同傳播特性

地波傳播：沿地球表面傳播的電磁波

頻率較低(大概在2MHz以下)
具有一定繞射能力
在低頻和甚低頻段，傳播距離可達數千公里

天波傳播：指電磁波通過電離層反射實現遠距離傳輸的機制，主要應用于短波頻段/高頻段(3-30 MHz)

傳播路徑可跨越數千公里
具有繞地曲面傳播的特性

視線傳播：指電磁波在空間中沿直線路徑傳輸的特性，要求發射端與接收端之間無物理阻擋，主要應用于高于30MHz的頻段

高于30MHz頻率的電磁波將穿透電離層，不會被反射回來

3.編碼與調制

3.1 概念

基帶信號：信源發出的原始電信號

數字基帶信號：以太網信號
模擬基帶信號：音頻信號、視頻信號

信號需要在信道中進行傳輸，信道可分為數字信道和模擬信道兩種
編碼：把數字信號轉換為另一形式的數字信號(改變信號的表示形式，沒有改變信號的本質特性)
調制：將數字信號轉換為適合信道傳輸的模擬信號

3.2 數字信號中常用編碼

不歸零編碼(Non-Return-to-Zero，NRZ)

特點：
信號電平：正電平表示1，負電平表示0

優點：
簡單易實現：編碼和解碼過程簡單，硬件實現成本低
高效帶寬利用率：每個比特周期內都用于傳輸數據，沒有冗余

缺點：
缺乏自同步能力：長時間連續傳輸相同電平可能導致時鐘漂移，影響同步。需要額外一根傳輸線來傳輸時鐘信號，接收方按時鐘信號的節拍來逐個接收碼元。然而對于計算機網絡來說，寧愿利用這個傳輸線來傳輸數據信號，而不是要傳輸時鐘信號。因此由于不歸零編碼存在同步問題，計算機網絡中的數據傳輸不采用這類編碼

歸零編碼(Return-to-Zero，RZ)

特點：
信號電平：每個比特周期內，信號電平會主動歸零

優點：
自同步能力：信號在每個比特周期內都有跳變，有助于時鐘恢復

缺點：
帶寬利用率低：由于每個比特周期內都有歸零，信號的帶寬利用率較低。
實現復雜：需要更復雜的硬件實現

曼徹斯特編碼(Manchester Encoding)

特點：
信號電平：前半比特周期高電平，后半比特周期低電平表示比特1；前半比特周期低電平，后半比特周期高電平表示比特0

優點：
自同步能力：每個比特周期內都有跳變，易于時鐘恢復
抗噪聲能力強：跳變的存在使得信號對噪聲的抵抗能力較強

缺點：
帶寬利用率低：每個比特周期內都有跳變，信號的帶寬利用率較低
實現復雜：需要更復雜的硬件實現

差分曼徹斯特編碼(Differential Manchester Encoding)

特點：
信號電平：如果比特為1，則前半個碼元的電平與上一個碼元的后半個碼元的電平相同；若為0，則相反

優點：
自同步能力：每個比特周期內都有跳變，易于時鐘恢復
抗噪聲能力強：跳變的存在使得信號對噪聲的抵抗能力較強

缺點：帶寬利用率低：每個比特周期內都有跳變，信號的帶寬利用率較低實現復雜：需要更復雜的硬件實現

3.3 調制方法

調制：將基帶信號轉換為適合傳輸的高頻信號的過程

調幅(AM)：載波的振幅隨基帶信號變化
調幅(AM)：載波的振幅隨基帶信號變化
調相(PM)：載波的相位隨基帶信號變化

在這里插入圖片描述

4.信道與信道容量

4.1 定義

狹義信道：聚焦物理傳輸介質本身
廣義信道：包含信號處理的完整鏈路(調制器、編碼器等)

4.2 信道容量

概念：指信道在無差錯傳輸條件下能達到的最大信息傳輸速率

以下是計算信道容量的兩個公式

奈奎斯特準則(無噪聲信道)： $C = 2B \log_2 M$

C：信道容量，單位為b/s或bps
B：信道帶寬，單位為Hz
M：進制數，即信號狀態數

Example：在無噪聲情況下，若某通信鏈路的帶寬為3kHz，采用4個相位、每個相位具有4種振幅的QAM調制技術，則該通信鏈路的最大數據傳輸速率是多少？
C = 2 * 3kHz * $log_2 16$ = 24kbps

香農定理(有噪聲信道)： $\log_2(1 + \frac{S}{N})$

S/N：信噪比，信號能量與噪聲能量之比，通常以分貝(dB)為單位
(S/N)_dB = 10log₁₀(Signle power / Noise power)

Example：若某通信鏈路的帶寬為2MHz，信噪比為30dB，則該通信鏈路的最大數據傳輸速率約是多少？
30dB = 10log₁₀(Signle power / Noise power)
(Signle power / Noise power) = 1000
C = 2kMHz * log₂(1 + 1000) ≈ 20Mbps