物理层（一）

第2章物理层

2.1 通信基础

2.1.1 基本概念

1、数据、信号与码元
通信的目的是传输信息，如文字、图像和视频等。数据是指传送信息的实体。信号则是数据的电气或电磁表现，是数据在传输过程中的存在形式。数据和信号都有模拟或数字之分:①模拟数据(或模拟信号)的取值是连续的:②)数字数据(或数字信号)的取值是离散的。
在通信系统中，常用一个固定时长的信号波形(数字脉冲)表示一位k进制数字，代表不同离散数值的基本波形就称为码元。码元是数字通信中数字信号的计量单位，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码元可携带若干比特的信息量。例如，在使用二进制编码时，只有两种不同的码元:一种代表0状态，另一种代表1状态。
2、信源、信道与信宿
数据通信系统主要划分为信源、信道和信宿三部分。信源是产生和发送数据的源头，信宿是接!数据的终点，它们通常都是计算机或其他数字终端装置。信道是信号的传输介质，一条双向通的线路包含一个发送信道和一个接收信道。发送端信源发出的信息需要通过变换器转换成适合信道上传输的信号，而通过信道传输到接收端的信号首先由反变换器转换成原始信息，然后发给信宿。噪声源是信道上的噪声及分散在通信系统其他各处的噪声的集中表示。

信道按传输信号形式的不同，分为传送模拟信号的模拟信道和传送数字信号的数字信道两大类:信道按传输介质的不同分为无线信道和有线信道。信道上传送的信号有基带信号和宽带信号之分。基带信号首先将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，然后送到数字信道上传输(称为基带传输);宽带信号首先将基带信号进行调制，形成频分复用模拟信号，然后送到模拟信道上传输(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。只有一个方向的通信而没有反方向的交互，如无线电广播、电视广播等。
2）半双工通信。通信双方都可发送或接收信息，但任何一方都不能同时发送和接收信息。
3）全双工通信。通信双方可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。

3、速率、波特与带宽
速率是指数据传输速率，表示单位时间内传输的数据量，常有两种描述形式。

码元传输速率。又称波特率，表示单位时间内数字通信系统所传输的码元数(也称调制速率或符号速率)，单位是波特(Baud)。1波特表示数字通信系统每秒传输1个码元。码元既可以是多进制的，又可以是二进制的，码元速率与进制数无关。
信息传输速率。又称比特率，表示单位时间内数字通信系统传输的二进制码元数(即比特数)，单位是比特/秒(bs)。

**注意：**波特和比特是两个不同的概念，但波特率与比特率在数量上又有一定的关系。若一个码元携带 n比特的信息量，则波特率 MBaud 对应的比特率为 Mn b/s.

在模拟信号系统中，带宽(又称频率带宽)用来表示某个信道所能传输信号的频率范围，即最高频率与最低频率之差，单位是赫兹(Hz)。在计算机网络中，带宽用来表示网络的通信线路所能传输数据的能力，即最高数据率;显然，此时带宽的单位不再是Hz，而是 b/s。

2.1.2 信道的极限容量

任何实际的信道都不是理想的，信号在信道上传输时会不可避免地产生失真。但是，只要接收端能够从失真的信号波形中识别出原来的信号，这种失真对通信质量就没有影响。但是，若信号失真很严重，则接收端就无法识别出每个码元。码元的传输速率越高，或者信号的传输距离越远，或者噪声干扰越大，或传输介质质量越差，接收端波形的失真就越严重。
1、奈奎斯特定理(奈氏准则)
具体的信道所能通过的频率范围总是有限的。信号中的许多高频分量往往不能通过信道，否则在传输中就会衰减，导致接收端收到的信号波形失去码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。奈奎斯特定理规定:在理想低通(没有噪声、带宽有限)信道中，为了避免码间串扰，极限码元传输速率为 2即波特，其中即是信道的频率带宽(单位为Hz)。若用V表示每个码元的离散电平数目(码元的离散电平数目是指有多少种不同的码元，若有 16 种不同的码元，则需要4个二进制位，因此数据传输速率是码元传输速率的4倍)，则极限数据率为
$理想低通信道下的极限数据传输速率 = 2 W l o g V (单位为 b s)$

对于奈氏准则，有以下结论:

使用奈氏准则给出的公式，就可以根据信道的频率带宽，计算出信道的最高码元传输速率。
只要码元传输速率不超过根据奈氏准则计算出的上限，就可以避免码间串扰
奈氏准则给出的是理想低通信道的最高码元传输速率，它和实际信道有较大的差别。因此，一个实际的信道所能传输的最高码元传输速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值

因为码元传输速率受奈氏准则制约，所以要提高数据传输速率，就要设法使每个码元携带更多比特的信息量，此时需要采用多元制的调制方法。
2、香农定理
实际的信道会有噪声，噪声是随机产生的。香农定理给出了带宽受限且有高斯噪声干扰的信道的极限数据传输速率，当用该速率传输数据时，不会产生误差。香农定理定义为
$信道的极限数据传输速率 = W 1 o g 2 (1 + S / N) (单位为 b / s)$
式中，W为信道的频率带宽(单位为 Hz)，S为信道内所传输信号的平均功率，N 为信道内的高斯噪声功率。S/N 为信噪比，即信号的平均功率与噪声的平均功率之比，信噪比=10l0grd(S/N)(单位为 dB)。例如，当 S/N=10 时，信噪比为 10dB:而当 S/N=1000 时，信噪比为 30dB。

对于香农定理，有以下结论:

信道的频率带宽W或信道中的信噪比S/N越大，信道的极限信息传输速率C就越高
实际信道不可能无限制地提高频率带宽W或信道中的信噪比S/N
实际信道中能够达到的信息传输速率，要比香农公式给出的极限传输速率低不少。
这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰
减等，这些因素在香农公式中并未考虑。

2.1.3 编码与调制

信号是数据的具体表示形式，数据无论是数字的还是模拟的，为了传输的目的，都要转换成信号。将数据转换为模拟信号的过程称为调制，将数据转换为数字信号的过程称为编码。数字数据可通过数字发送器转换为数字信号传输，也可通过调制器转换成模拟信号传输;同样，模拟数据可通过 PCM 编码器转换成数字信号传输，也可通过放大器调制器转换成模拟信号传输。这样，就形成了如下4种编码与调制方式。

数字数据蝙码为数字信号
数字数据编码用于基带传输中，即在基本不改变数字数据信号频率的情况下，直接传输数字信号。具体用什么样的数字信号表示0及用什么样的数字信号表示1，就是所谓的编码。编码的规则有多种，只要能有效区分0和1即可。常用的数字数据编码有以下几种

1）归零(RZ)编码。用高电平表示1、低电平表示 0(或者相反)，每个码元的中间均跳变到零电平(归零)，接收方根据该跳变调整本方的时钟基准，这就为收发双方提供了自同步机制。因为归零需要占用一部分带宽，所以传输效率受到了一定的影响。

2）非归零(NRZ)编码。与RZ 编码的区别是不用归零，一个时钟全部用来传输数据，编码效率最高。但NRZ编码的收发双方存在同步问题，为此需要双方都带有时钟线。

3）反向非归零(NRZI)编码。与 NRZ 编码的区别是用电平的跳变表示0、电平保持不变表示1。跳变信号本身可作为一种通知机制。这种编码方式集成了前两种编码的优点，既能传输时钟信号，又能尽量不损失系统带宽。USB2.0的编码方式就是NRZI编码。

4）曼彻斯特编码。每个码元的中间都发生电平跳变，电平跳变既作为时钟信号(用于同步),又作为数据信号。可用向下跳变表示1、向上跳变表示0，或者采用相反的规定。

5）差分曼彻斯特编码。每个码元的中间都发生电平跳变，与曼彻斯特编码不同的是，电平跳变仅表示时钟信号，而不表示数据。数据的表示在于每个码元开始处是否有电平跳变:无跳变表示1，有跳变表示0。差分曼彻斯特编码拥有更强的抗干扰能力。曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码在每个码元的中间都发生电平跳变，相当于将一个码元一分为二，编码速率是码元速率的2倍，二者所占的频带宽度是原始基带宽度的2倍。标准以太网使用的就是曼彻斯特编码，而差分曼彻斯特编码则被广泛用于宽带高速网中。

模拟数据编码为数字信号
主要包括三个步骤，即采样、量化和编码，常用于对音频信号进行编码的 PCM 编码。首先介绍采样定理:在将模拟信号转换成数字信号时，假设原始信号中的最大频率为那么采样率f采样必须大于或等于最大频率f的2倍，才能保证采样后的数字信号完整保留原模拟信号的信息(只需记住结论)。另外，采样定理又称奈奎斯特定理。

1）采样是指对模拟信号进行周期性扫描，将时间上连续的信号变成时间上离散的信号。

2）量化是指将采样得到的电平幅值按照一定的分级标度转换为对应的数值并取整，这样就将连续的电平幅值转换为了离散的数字量。采样和量化的实质就是分割和转换。

3）编码是指将量化得到的离散整数转换为与之对应的二进制编码。