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物理层

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通信基础

概念一览

  • 数据：表示客观事物的符号化描述，是信息的载体。

  • 信号：数据的物理表现形式，是数据在传输介质中的电磁表现。

    • 数据和信号都有模拟和数字之分.模拟数据/信号是连续变化的，而数字数据/信号是离散变化的。

  • 码元：在通信系统中,常用一个固定时长的信号波形表示一个k进制数,这个时长内的信号称为码 元(可称k进制码元),而该时长称为码元宽度(也称信号周期)。比如，在二进制通信中，一个码元可能是“高电压”（代表1）或“低电压”（代表0），每次发送一个码元就传递1比特。如果是多进制（如4进制），一个码元可能代表2比特的信息，就像一个字母代表多个音节。

    通俗地讲,一个码元能携带多少比特的信息，取决于这个码元有多少种不同的状态.

  • 信源：信息的产生者,如计算机、手机等。

  • 信宿：信息的接收者,如计算机、手机等。

  • 信道：信息传输的媒介,如双绞线、光纤、无线电波等。

一个单向通信系统的模型
一个单向通信系统的模型

信道按传输信号形式的不同，可分为两大类：传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道；按传输介质的不同，可分为无线信道和有线信道。

信道上传送的信号分为基带信号和宽带信号。基带信号是由信源发出的未经过调制的原始电信号，当在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输；宽带信号则先将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到信道上传输，称为宽带传输。

数据传输方式分为串行传输和并行传输。串行传输是指逐比特地按序依次传输，并行传输是指若干比特通过多个通信信道同时传输。串行传输适用于长距离通信，如计算机网络；并行传输适用于近距离通信，常用于计算机内部，如CPU与主存之间。

从通信双方信息的交互方式看，可分为三种基本方式：

  1. 单向通信：只有单方向的通信，没有反向交互，如无线电广播、电视广播等。

  2. 半双工通信：通信双方都可以发送或接收信息，但任何一方不能同时发送和接收信息。

  3. 全双工通信：通信双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需一个信道，而半双工通信或全双工通信都需要两个信道，每个方向一个信道。

    • 码元传输速率：指单位时间内传送的码元数，通常以波特（Baud）为单位。

    速率有两种形式:

    • 比特率：指单位时间内传送的比特数，通常以bps（bit per second）为单位。

  • 带宽在之前已经讲过,描述信号频率的范围或最高数据传输速率

Tip

如果一个码元携带n比特的信息,那么码元速率和比特率的关系为:

\[\text{比特率(bps)} = n \times \text{码元速率(波特)}\]

信道的极限容量

奈奎斯特定理(奈氏准则)

码间串扰

信号在传输过程中,许多高频成分会被信道严重衰减,从而使接收端无法准确区分相邻码元,这种现象称为码间串扰(Inter-Symbol Interference, ISI)。

奈奎斯特规定,在理想低通(没有噪声、带宽有限)信道中,为了避免码间串扰,码元传输速率不能超过信道带宽的两倍,即:

\[\text{码元传输速率(波特)} \leq 2 \times \text{信道带宽(Hz)}\]

如果用V表示码元的离散电平数量(即码元的不同状态数),则在理想低通信道中,比特率的最大值为:

\[2 \times \log_2 V \times \text{信道带宽(Hz)}\]

奈氏准则的主要要点如下：

  1. 码元传输速率存在极限：所有信道中，码元传输速率都有上限。如果超过这个上限，就会产生严重的码间串扰，导致接收端无法准确识别码元。

  2. 带宽决定传输能力：信道带宽越大，传输码元的能力就越强。

  3. 限制的边界：奈氏准则限制了码元传输速率，但不限制信息传输速率，也就是说，一个码元能携带的比特数没有上限。

由于码元传输速率受奈氏准则约束，要提升数据传输速率，可以让每个码元承载更多比特信息，这就需要使用多元制的调制技术。

香农定理

奈氏定理只适用于理想低通信道,而实际信道中总是存在噪声,因此香农定理给出了在有噪声信道中,信道容量的极限值。

在带宽为B Hz,信噪比为S/N的有噪声信道中,信道容量C的最大值为:

\[C = B \times \log_2(1 + \frac{S}{N})\]

其中,S是信号功率,N是噪声功率,S/N是信噪比,C的单位是bps。

信噪比有两种表示方法:

  1. 线性表示法：直接用S/N表示。

  2. 对数表示法：用分贝(dB)表示,即: \(\(\text{SNR(dB)} = 10 \times \log_{10}(\frac{S}{N})\)\)

Warning

在使用香农定理时,必须将信噪比S/N换算成线性表示法。

根据香农定理,我们可以得出以下结论:

  1. 信道带宽/信噪比越大,信道容量越大。

  2. 若信道带宽和信噪比确定,那么信息传输的最大速率也是确定的

  3. 只要信息传输速率低于信道容量,就可以通过适当的编码方法,使误码率任意地小。

编码和调制

  • 未完成

传输介质

传输介质是发送到接收之间的信息通路,可分为导向传输介质和非导向传输介质(无线传播)。

导向传输介质

  • 双绞线：由两根相互缠绕的绝缘铜线组成，常用于局域网和电话通信。有STP(屏蔽双绞线)和UTP(非屏蔽双绞线)之分。

  • 同轴电缆：由中心导体、绝缘层、金属屏蔽层和外护套组成，抗干扰能力强，常用于电视信号传输。分为两类:

    • 50欧姆同轴电缆：主要用于传送基带数字信号

    • 75欧姆同轴电缆：主要用于传送宽带模拟信号

  • 光纤：由玻璃或塑料纤维制成，利用光的全反射原理传输信号，带宽大、传输距离远。

    • 单模光纤：纤芯直径较小，适用于长距离传输。

      单模光纤
      单模光纤

    • 多模光纤：纤芯直径较大，适用于短距离传输。

      多模光纤
      多模光纤

非导向传输介质

  • 无线电波：通过空气传播的电磁波，常用于无线通信，如手机、Wi-Fi等。

  • 微波、红外线和激光：主要用于高带宽的无线通信。

    • 微波：频率较高的电磁波，常用于卫星通信和雷达。

    • 红外线：波长介于可见光和微波之间，常用于短距离无线通信，如遥控器。

    • 激光：通过激光束传输信号，常用于光通信和激光雷达。

物理层接口特性

  • 电气特性：包括电压、电流、阻抗、传输速率、距离限制等参数，决定信号的传输质量和抗干扰能力。

  • 机械特性：包括接线器的形状和尺寸、引脚数量和排列、固定和锁定装置等。

  • 功能特性。指明某条线上出现的某一电平的电压的意义,以及每条线的功能。

  • 规程特性(过程特性)。规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系

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