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深海蜜柚：一次关于“黑历史”的荧光夜潜与镜头下的真相
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通信基础(
基本概念(
奈奎斯特定理奈氏准则与香农定理
失真 (Distortion)
奈奎斯特定理奈氏准则—— “内忧”
香农定理 (Shannon Theorem) —— “外患”(
编码与调制
基带信号与宽带信号
编码与调制 (Encoding vs Modulation)
基本调制方法 (二元制)(
数据交换方式
电路交换 (Circuit Switching)
报文交换 (Message Switching)
分组交换 (Packet Switching)
分组交换的两种方式数据报与虚电路
数据交换方式的选择
传输介质(
导向性传输介质(
非导向性传输介质
物理层设备(
中继器 (Repeater)(
集线器 (Hub)前言提示这里可以添加本文要记录的大概内容计网——物理层提示以下是本篇文章正文内容下面案例可供参考
通信基础(
基本概念数据运送信息的实体信号数据的电气或电磁表示数字信号离散信号和模拟信号连续信号信源信息的来源产生和发送数据的源头信宿信息的接收者接收和处理数据的终端信道传输数据的媒体包括物理媒体和逻辑媒体通信双方信息交互方式单工通信只能在一个方向上传输数据一条信道如广播半双工通信可以在两个方向上传输数据两条但不能同时传输如对讲机全双工通信可以在两个方向上同时传输数据两条如电话数据传输方式串行传输和并行传输[图片截图]同步传输和异步传输同步传输发送方和接收方在时钟信号的控制下同步传输数据如电话面向比特流异步传输异步传输数据如邮件面向字节流码元数据通信中数字信号的计量单位是指用一个固定时长的信号波形数字脉冲来表示一个二进制位这个时长内的信号称为k进制码元而该时长称为码元宽度。
1码元可以携带多个比特的信息量如在二进制编码时只有两种不同的码元一种是0码元一种是1码元每个码元可以携带1比特的信息量。
K进制码元——4进制码元——码元的离散状态有4个——4种高低不同的信号波形
00、
01、
11K码元的离散状态数速率也叫数据率,是指数据的传输速率,表示单位时间内传输的数据量。
可以用码元传输速率和信息传输速率表示。
码元传输速率指单位时间内传输的码元数量也称为波特率baud。
1波特表示数字通信系统每秒传输一个码元1s传输多少个码元数字信号有多进制和二进制之分但码元速率与进制数无关只与码元长度T有关。
信息传输速率指单位时间内传输的信息量也称为比特率bit rate单位为比特/秒b/s1s传输多少个比特单位时间内传输的二进制码元个数即比特数信息传输速率码元传输速率* log₂K带宽
模拟信号系统中最高频率和最低频率间的差值单位是赫兹
数字设备中单位时间内通过的最高数据率单位是比特每秒(
奈奎斯特定理奈氏准则与香农定理
失真 (Distortion)失去真实性即信号在传输过程中与原有信号或标准相比波形、频率、幅度等发生了变化。
现象有失真但可识别信号虽有变形但仍能被接收端正确还原。
失真大无法识别干扰过强或传输过快导致无法正确还原码间串扰。
影响因素码元传输速率信号传输距离噪声干扰传输媒体质量
奈奎斯特定理奈氏准则—— “内忧”“内忧”指码间串扰即系统自身的带宽限制导致信号失真。
定义在理想低通无噪声信道中为了避免码间串扰码元传输速率的上限。
公式理想低通信道最高码元传输速率 2 W 2W2W(Baud)理想低通信道最高数据传输速率 2 W log 2 V 2W \log_2 V2Wlog2V(b/s)(其中W WW为信道带宽V VV为码元离散电平数目)结论码元传输速率越高或信号传输距离越远或噪声干扰越大或传输媒体质量越差波形失真就越严重。
限制信道通过的频谱范围有限必须限制码元传输速率。
香农定理 (Shannon Theorem) —— “外患”“外患”指噪声干扰即信道外部的随机噪声。
定义在带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道中信息传输速率的上限。
公式信道的极限信息传输速率C W log 2 ( 1 S / N ) C W \log_2(1 S/N)CWlog2(1S/N)(b/s)(其中W WW为带宽S SS为信号功率N NN为噪声功率S / N S/NS/N为信噪比)注意信噪比(dB) 10 log 10 ( S / N ) 10 \log_{10}(S/N)10log10(S/N)。
例如 30dB 意味着S / N 1000 S/N1000S/N1000。
结论信道的带宽或信噪比越大信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率就一定存在某种办法来实现无差错的传输。
例1奈氏准则应用无噪声在无噪声的情况下若某通信链路的带宽为 3kHz采用 4 个相位每个相位具有 4 种振幅的 QAM 调制技术则该通信链路的最大数据传输率是多少分析信号有4 × 4 16 4 \times 4 164×416种变化 (即V 16 V16V
带宽W 3000 W 3000W3000Hz计算最大数据传输率 2 W log 2 V 2 × 3000 × log 2 16 2 × 3000 × 4 24000 b/s 24 kb/s \text{最大数据传输率} 2W \log_2 V 2 \times 3000 \times \log_2 16 2 \times 3000 \times 4 24000 \text{ b/s} 24 \text{ kb/s}最大数据传输率2Wlog2V2×3000×log2162×3000×424000b/s24kb/s例2香农定理应用有噪声电话系统的典型参数是信道带宽为 3000Hz信噪比为 30dB则该系统的极限数据传输速率是多少分析带宽W 3000 W 3000W3000Hz信噪比(dB) 30dB需先转换为比值形式30 dB 10 log 10 ( S / N ) ⇒ S / N 10 30 / 10 10 3 1000 30 \text{dB} 10 \log_{10}(S/N) \Rightarrow S/N 10^{30/10} 10^3 100030dB10log10(S/N)⇒S/N1030/101031000计算极限数据传输速率 W log 2 ( 1 S / N ) 3000 × log 2 ( 1 1000 ) ≈ 3000 × log 2 ( 1024 ) 3000 × 10 30000 b/s 30 kb/s \text{极限数据传输速率} W \log_2(1 S/N) 3000 \times \log_2(1
\approx 3000 \times \log_2(
3000 \times 10 30000 \text{ b/s} 30 \text{ kb/s}极限数据传输速率Wlog2(1S/N)3000×log2(
≈3000×log2(
3000×1030000b/s30kb/s
总结助记奈氏准则 (内忧)解决无噪声信道下的带宽限制避免码间串扰。
香农定理 (外患)解决有噪声信道下的信噪比限制。
(
编码与调制计算示例若波特率为 1200 Baud采用 4 相位 4 振幅则速率 1200 × log 2 ( 4 × 4 ) 4800 bps 1200 \times \log_2(4 \times
4800 \text{ bps}1200×log2(4×
4800bps。
每个码元带4bit比特率波特率×每个码元携带的比特数
基带信号与宽带信号信道分类按传输信号模拟信道、数字信道按传输介质无线信道、有线信道信号分类基带信号 (Baseband Signal)定义来自信源的信号即基本频带信号。
包含较多低频成分甚至直流成分。
特点像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。
适用近距离传输因为低频成分在长距离传输中衰减大。
宽带信号 (Broadband/Passband Signal)定义即带通信号。
把基带信号经过载波调制后把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。
适用远距离传输即仅在一段频率范围内能够通过信道。
编码与调制 (Encoding vs Modulation)数据无论是数字的还是模拟的为了传输都必须转变成信号。
概念区分编码 (Encoding)数据→ \rightarrow→数字信号(如数字数据编码、模拟数据编码)调制 (Modulation)数据→ \rightarrow→模拟信号(如数字数据调制、模拟数据调制)常见转换方式数字数据→ \rightarrow→模拟信号使用调制如 modem。
模拟数据→ \rightarrow→数字信号使用编码如 PCM。
步骤抽样 (Sampling)→ \rightarrow→量化 (Quantization)→ \rightarrow→编码 (Encoding)
基本调制方法 (二元制)将数字信号转换为模拟信号基带信号→ \rightarrow→带通信号。
调幅 (AM/ASK)载波的振幅随基带数字信号而变化。
调频 (FM/FSK)载波的频率随基带数字信号而变化。
调相 (PM/PSK)载波的初始相位随基带数字信号而变化。
正交振幅调制 (QAM)调幅 调相的结合能实现更高的数据传输率。
(
数据交换方式
电路交换 (Circuit Switching)原理在数据传输前必须先在源站点和目标站点之间建立一条直通、独占的物理通路。
通话期间该通路一直被占用直到通信结束。
过程建立连接→ \rightarrow→数据传输→ \rightarrow→释放连接优缺点优点传输时延小数据直达无中间存储转发。
有序传输无失序问题。
实时性强适用于交互式会话类通信。
全双工通信无冲突。
缺点建立连接时间长。
信道利用率低线路独占空闲时他人无法使用。
灵活性差任何节点故障需重新建立连接。
无数据存储能力难以平滑通信量。
报文交换 (Message Switching)原理无需建立专用通路以“报文”为数据传输单位。
采用存储-转发(Store-and-Forward) 方式中间节点交换机接收整个报文存储下来检查无误后转发给下一跳。
优缺点优点无需建立连接随时发送。
动态分配线路线路利用率高。
多目标服务一个报文可发往多个目的地址。
缺点转发时延大需接收完整报文再转发。
缓存要求高报文长度不限需较大缓冲区。
只适用于数字信号。
分组交换 (Packet Switching)原理将大报文分割成固定长度的较小数据块分组/包加上控制信息首部后以存储-转发方式传输。
接收端根据编号重组。
优缺点优点高效线路利用率高。
灵活每个分组独立选择路径。
迅速传输时延小相比报文交换不用等整个大报文。
缺点存在存储转发时延。
首部开销每个分组都要加头降低了通信效率。
需处理乱序、丢失等问题。
分组交换的两种方式数据报与虚电路特性数据报 (Datagram)虚电路 (Virtual Circuit)连接方式无连接面向连接(逻辑连接)路径选择每个分组独立选择路径所有分组按同一路径传输顺序控制不保证顺序 (可能乱序)保证有序可靠性不可靠(可能丢失)可靠适用场景突发性通信、短报文长时间、大批量数据传送过程直接发送建立虚电路→ \rightarrow→传送→ \rightarrow→拆除
数据交换方式的选择传送大量数据且传送时间远大于连接建立时间→ \rightarrow→电路交换(或虚电路)。
突发性数据数据量不大→ \rightarrow→数据报(分组交换)。
信道利用率要求高→ \rightarrow→分组交换(优于电路交换)。
传输介质(
导向性传输介质双绞线 (Twisted Pair)构造由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。
作用绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。
分类无屏蔽双绞线 (UTP)价格便宜局域网最常用。
屏蔽双绞线 (STP)增加金属丝编织的屏蔽层抗干扰能力强。
特点模拟传输和数字传输均可。
距离太远时数字传输需用中继器整形模拟传输需用放大器。
同轴电缆 (Coaxial Cable)构造内导体、绝缘层、网状编织屏蔽层、塑料外层。
分类50Ω 同轴电缆基带同轴电缆主要用于数字传输。
75Ω 同轴电缆宽带同轴电缆主要用于模拟传输如闭路电视。
对比抗干扰性比双绞线好传输速率更高距离更远但价格更贵。
光纤 (Optical Fiber)原理利用光导纤维传递光脉冲全反射原理。
组成纤芯高折射率包层低折射率。
分类单模光纤光源为激光定向性好衰耗小适合远距离传输。
多模光纤光源为发光二极管易失真适合近距离传输。
特点传输损耗小、抗雷电电磁干扰、保密性好、体积小重量轻。
(
非导向性传输介质无线电波穿透能力强向所有方向传播如手机通信。
微波频率高、频带宽。
固定方向传播。
地面微波接力通信。
卫星通信容量大、距离远、覆盖广但时延大(
ms)、受气候影响。
红外线/激光定向传播。
物理层设备(
中继器 (Repeater)功能对信号进行再生和还原不仅仅是放大以消除衰减和失真延长网络传输距离。
特点两端网络部分是网段而不是子网。
两端网段速率要相同协议要一致。
规则限制了中继器的使用数量。
(
集线器 (Hub)实质一个多端口的中继器。
功能对信号进行再生整形放大并转发到其他所有除输入端口外处于工作状态的端口上。
特点广播方式不能分割冲突域。
共享带宽所有端口共享总带宽。
半双工同一时刻只能有一个方向传输。