物理层数据通信的基础知识

2018-01-31 23:27:04
linefo
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最后编辑:linefo 于 2018-02-04 11:45:08


物理层不是指具体的传输媒体(网线等),而是考虑怎样在传输媒体上使用比特流传输数据的一个处理层级


串行传输和并行传输


传输可以分为串行传输并行传输。

串行传输可分为异步传输、同步传输等时传输


并行传输的示意图:


串行传输的示意图:


并行传输中,使用多根并行的数据线一次同时传输多个比特;串行传输中,使用一根数据线传输数据,一次传输1个比特,多个比特需要一个接一个依次传输


采用并行通信的优点是高速传输,但多条线路之间干扰较大,并且传输距离较长时,在数据同步等方面难以处理,所以不适合用于长距离传输。


互联网中不同计算机通过网线通信,使用的是串行传输;而计算机内部目前一般采用并行传输:




信道


信道表示向某一个方向传送信息的媒体;

不能将信道和某个传输线路等同,信道不是实物而是一个通信方向的概念,以一根普通的网线为例,它包含一条发送信道和一条接收信道。


通信信息交互的交互方式


单向通信(单工通信):只能有一个方向的通信,如电台广播

双向交替通信(半双工通信):两个方向都可以通信,但不能同时,只能交替,如对讲机

双向同时通信(全双工通信):两个方向可以同时通信,如打电话


调制


【基带调制】

来自信源的信号常称为基带信号,像计算机输出的代表各种文字和图像的数据都属于基带信号;

基带信号一般不能直接传输,一般都需经过基带调制,即将其数据波形进行变换,使其与信道特性相适应,这类调制方法也称为编码。

(数字信号)


【带通调制】

另一类需要使用载波,把基带信号的频率方位搬到较高的频段,并转换为模拟信号。

(模拟信号)


常用的编码方式(基带调制)


不归零制:正电平代表1,负电平代表0


归零制:正脉冲代表1,负脉冲代表0


曼彻斯特:如图


差分曼彻斯特:如图




基本的带通调制方法


调幅:载波的振幅随基带信号变化,1和0分别代表有无振幅的状态


调频:1和0代表不同的频率


调相:如图



信道的极限容量


这里不考虑实际传输的情况(因为涉及数据传输控制、完整等问题),讨论理论上的传输上限。


我们知道传输介质(WIFI、各类网线)的传输速度都是有上限的,这是为什么呢?

这是因为传输介质的物理特性,包括但可能不限于下面几个基本的原因:


(1)介质允许传输的频带宽度


首先以基带调制产生的电位信号为例,频率越高,同时间内传输的比特流数据也越多:



常用的电磁波(各传输介质)频谱:


从上图即可知,为什么光纤传输速度远大于普通的双绞线~~,因为其可通过的信号频率非常高。


(2)信号衰减


我们基本不可能安装传输介质的频带宽度上限传输数据,这是因为传输介质的物理特质。比如某种传输介质虽然允许处在某个频带区间的数据通过,但在该区间的衰减可能会特别严重;亦或是某种传输介质特别容易受外界电磁波的干扰等等......


信号衰减的情况:


当失真到一定程度时,接收端是无法识别的。