【深入理解计算机网络04】通信基础核心知识全解析:从信号原理到物理层设备

目录

通信基础

信道的极限容量

奈奎斯特定理

香农定理

编码与调制

编码方法

调制方法

传输介质

有线传输介质

双绞线

同轴电缆

光纤

以太网对有线传输介质的命名规则

无线传输介质

物理层接口的特性

物理层设备

中继器(Repeater)

集线器(Hub)


通信基础

信源:数据的发送方

信宿:数据的接收方

数据:信息的实体,计算机内部的数据通常是二进制

信号:数据的载体

数字信号:信号值是离散的

模拟信号 :信号值是连续的,抗干扰能力更强

码元:一个信号就是一个码元,可以是多个比特的载体。

码元携带的比特位越多,一个信号所能表现出的不同的状态越多。如果一个码元可能有4种状态,那么可以称其为4进制码元(一个码元携带2bit数据)

优点

每个信号周期可以传输更多的信息,每个码元可以携带更多信息。

代价

需要加强信号功率,对信道的要求更高

信道的极限容量

噪声:对信道产生干扰,影响信道的数据传输效率

奈奎斯特定理

解释了对于一个理想低通信道(没有噪声、带宽有限的信道),极限波特率 = 2W(W是信道的频率带宽,单位波特即 码元/s)

  • 如果波特率太高,会导致"码间串扰",即接受方无法识别码元
  • 带宽越大,信道传输码元的能力越强
  • 奈奎斯特定理没有解释一个码元最多可以携带多少比特

香农定理

解释了对于一个有噪声、带宽有限的信道的极限比特率 = Wlog2(1 + S/N,单位b/s)

信噪比(S/N)= 信号的功率 / 噪音的功率

在通信领域,信号功率往往比噪声功率大得多,因此采用无单位记法:

以**dB(分贝)**为单位表示信噪比:信噪比 = 10log10(S / N)

  • 提高信道带宽、加强信号功率、降低噪声功率都可以提高信道的极限比特率
  • 在带宽、信噪比确定的信道上,一个码元可以携带的比特数是有上限的

编码与调制

编码方法

不归零编码:低位代表0,高位代表一1。

  • 无法分辨频率,不支持自同步
  • 抗干扰能力弱
  • 不浪费带宽

归零编码:低位代表0,在每一位中间都会归0。

  • 能够分辨出频率,支持自同步
  • 抗干扰能力弱
  • 浪费带宽

反向非归零编码:跳变的时候代表0,不跳变代表1。

  • 无法分辨频率。若增加冗余位,可支持自同步
  • 抗干扰能力弱
  • 浪费较少带宽

曼彻斯特编码:看一个位的中间,上跳代表0,下跳代表1,中间一定会变化。

  • 可以分辨频率。支持自同步
  • 抗干扰能力强
  • 浪费带宽

差分曼彻斯特编码:看起点,跳变代表0,不跳变代表1,中间一定会变化。

  • 可以分辨频率。支持自同步
  • 抗干扰能力强
  • 浪费带宽

调制方法

基带信号:来自信源的数字信号,需要调之后才能在某些信道上传输

调幅AM(ASK)

  • y = 0 * sin2x -> 二进制0
  • y = 1 * sin2x -> 二进制1

调频FM(FSK)

  • y = sin1 * x -> 二进制0
  • y = sin2 * x -> 二进制1

调相PM(PSK)

  • y = sin(x + 0) -> 二进制0
  • y = sin(x + π) -> 二进制1

正交幅度调制(QAM)

将AM、PM结合起来形成叠加符号即为QAM

将m种幅值、n种相位的AM、PM相结合,则可以调制出 mn 种信号

传输介质

有线传输介质

双绞线

  • 两根导线相互绞合构成
    • 屏蔽双绞线(STP),有屏蔽层
    • 非屏蔽双绞线(UTP),没有屏蔽层
  • 绞合、屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力
  • 应用:局域网、早期电话线

同轴电缆

  • 由**内导体(用于传输信号)+外导体屏蔽层(抗电磁干扰)**构成
  • 屏蔽层可以提升抗电磁干扰能力
  • 应用:早期局域网、有线电视

光纤

  • 纤芯(高折射率) + 包层(低折射率) 构成,利用光的全反射特性在纤芯内部传输光脉冲信号
  • 分为单模光纤多模光纤
    • 单模光纤:纤芯更细,只有一条光线在一根光纤中传输,适合长距离传输,信号传输损耗小
    • 多模光纤:纤芯更粗,多条光线在一根光纤中传输,适合近距离传输 ,远距离信号容易失真
  • 抗干扰能力强,光信号对电磁干扰不敏感
  • 信号传输损耗小,长距离传输时中继器少(中继器用于应对信号失真情况,当信号传到中继器时对信号进行整形和放大);节省布线空间

以太网对有线传输介质的命名规则

速度 + Base + 介质信息

  • 10Base5 ------10Mbps,同轴电缆,最远传输距离 500m
  • 10Base2 ------10Mbps,同轴电缆,最远传输距离 200m(实际是 185)
  • 10BaseF* ------10Mbps,光纤。* 可以是其他信息,如 10BaseFL、 10BaseFB、 10BaseFP
  • 10BaseT* ------10Mbps,双绞线。* 可以是其他信息,如 10BaseT1S、 10BaseT1L

无线传输介质

无线电波:

穿透能力强、传输距离长、信号指向性弱

应用:WIFI、手机信号

微波通信:

频率带宽高、信号指向性强、保密性差

应用:卫星通信

红外线通信、激光通信:

信号指向性强

物理层接口的特性

  • 机械特性:指明接口所用接线器的形状和尺寸、引脚数目和排列、固定和锁定装置等
  • 电气特性:指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围、传输速率、距离限制等
  • 功能特性:指明某条线上出现的某一电平的电压的意义
  • 过程特性(规程特性):指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序

物理层设备

中继器(Repeater)

如果传输距离过长,数字信号会失真。因此需要中继器对信号进行整形再生,确保信号不会失真严重

  • 只有两个端口,一个端口接收信号,将失真信号整形再生,并转发至另一端口
  • 两端连接的节点不可以同时发送数据

集线器(Hub)

本质上是多端口中继器

冲突域:如果两台主机同时发送数据会导致冲突,则这两台主机处于同一个冲突域

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