通信基础
基本概念
- 数据：传送信息的实体
- 信号：数据的电气或电磁表现（数字信号 / 模拟信号）
- 码元：一个固定时长的信号波形，代表离散值的基本波形
- 信源、信道、信宿：通信的发送方、传输介质、接收方
通信方式
- 串行传输 / 并行传输：计算机内部常用并行，远程通信常用串行
- 同步传输 / 异步传输：同步需要时钟信号，异步以字符为单位
- 单向通信 / 半双工 / 全双工：单工单向，半双工双向交替，全双工双向同时
码元速率与信息速率
| 指标 | 说明 | 单位 |
|---|---|---|
| 码元传输速率（波特率） | 单位时间传输的码元个数 | Baud |
| 信息传输速率（比特率） | 单位时间传输的二进制比特数 | b/s |
关系：比特率 = 波特率 × log₂(V)，V 为码元离散状态数
奈奎斯特定理与香农定理
奈奎斯特定理（无噪声信道）
其中 W 为信道带宽，V 为码元离散状态数。
采样定理：
香农定理（有噪声信道）
信噪比 = （单位：dB）
编码与调制
数字数据 → 数字信号
| 编码方式 | 说明 |
|---|---|
| 归零编码 RZ | 信号在码元中间回归零电平 |
| 非归零编码 NRZ | 信号在整个码元期间保持不变 |
| 反向非归零编码 NRZI | 信号翻转代表 0，不变代表 1 |
| 曼彻斯特编码 | 位中间跳变，下跳为 1，上跳为 0（自同步） |
| 差分曼彻斯特编码 | 位开始边界有跳变代表 0，无跳变代表 1 |
数字数据 → 模拟信号
| 调制方式 | 说明 |
|---|---|
| 幅移键控 ASK | 改变载波振幅 |
| 频移键控 FSK | 改变载波频率 |
| 相移键控 PSK | 改变载波相位 |
| 正交振幅调制 QAM | 同时改变振幅和相位， |
模拟数据 → 数字信号
脉冲编码调制 PCM：抽样 → 量化 → 编码
模拟数据 → 模拟信号
用于频分多路复用（FDM）：对高频载波调制，便于远距离传输。
多路复用技术
| 技术 | 说明 |
|---|---|
| 频分多路复用 FDM | 按频率划分信道，模拟信号 |
| 时分多路复用 TDM | 按时间划分信道，数字信号 |
| 统计时分多路复用 STDM | 按需动态分配时隙 |
| 波分多路复用 WDM | 光的频分多路复用，光纤通信 |
| 码分多路复用 CDM | 码分多址，用编码区分信道 |
交换技术
电路交换
- 建立连接 → 通信 → 释放连接
- 优点：通信质量稳定、时延小
- 缺点：建立连接时间长、线路利用率低
报文交换
- 存储转发，以报文为单位
- 不需要建立连接
- 缺点：时延大且不固定，不适合实时通信
分组交换
- 将报文分割为固定大小的分组，存储转发
- 优点：线路利用率高、可靠性好
- 缺点：有额外开销、可能产生拥塞
数据报 vs 虚电路
- 数据报：无连接，每个分组独立路由，不保证顺序
- 虚电路：面向连接，预先建立路径，分组按序传输
- PVC（永久性虚电路）：长期存在
- SVC（交换型虚电路）：会话期间临时建立
传输介质
有线传输介质
| 介质 | 特点 |
|---|---|
| 双绞线 Twisted Pair | STP（屏蔽）和 UTP（非屏蔽），成本低、抗干扰一般 |
| 同轴电缆 | 屏蔽性好，抗干扰强，逐渐被双绞线和光纤替代 |
| 光纤 | 单模和多模，带宽大、损耗低、抗干扰极强 |
无线传输介质
- 无线电波：全方向传播，穿透力强
- 微波、红外线、激光：方向性好，需直线传播
物理层接口特性
- 机械特性：接口形状、尺寸、引脚数目和排列
- 电气特性：传输方向、电平范围
- 功能特性：某根线上电平的意义
- 过程特性（规程特性）：事件出现的顺序
物理层设备
中继器 Repeater
- 功能：数字信号再生放大，延长传输距离
- 不能连接不同速率的局域网
- 5-4-3 规则：5 段通信介质 - 4 个中继器 - 3 段挂计算机
集线器 Hub
- 功能：多端口中继器，信号广播到所有端口
- 不能分割冲突域，所有端口属于同一冲突域
- 工作在物理层
基带传输与频带传输
基带 Baseband
- 概念：信源发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号所固有的频带（频率带宽），称为基本频带，简称基带
- 基带信号 Baseband Signal：信源（信息源，也称发终端）发出的没有经过调制（进行频谱搬移和变换）的原始电信号，其特点是频率较低，信号频谱从零频附近开始，具有低通形式
- 基带传输：在信道中直接传送基带信号时，称为基带传输。进行基带传输的系统称为基带传输系统，传输介质的整个信道被一个基带信号占用。基带传输不需要调制解调器，设备花费小，具有速率高和误码率低等优点，适合短距离的数据传输，传输距离在 100 米内，在音频市话、计算机网络通信中被广泛采用。如从计算机到监视器、打印机等外设的信号就是基带传输的。大多数局域网使用基带传输，如以太网、令牌环网
- 在有线信道中，直接用电传打字机进行通信时传输的信号就是基带信号。基带数据传输速率为 0 ～ 10 Mb/s，更典型的是 1Mb/s ～ 2.5Mb/s，通常用于传输数字信息
频带
- 频带：对基带信号调制后所占用的频率带宽（一个信号所占有的从最低的频率到最高的频率之差）
频带传输
- 在信道中直接传送频带信号时，称为频带传输，可以远距离传输，缺点是速率低、误码率高
- 一般说的频带传输是数字基带信号经调制变换，成为能在公用电话线上传输的模拟信号，模拟信号经模拟传输媒体传送到接收端后，再还原成原来信号的传输
- 这种频带传输不仅克服了目前许多长途电话线路不能直接传输基带信号的缺点，而且能够实现多路复用，从而提高了通信线路的利用率
- 但是频带传输在发送端和接收端都要设置调制解调器，将基带信号变换为通带信号再传输。频带传输的优点是可以利用现有的大量模拟信道（如模拟电话交换网）通信，价格便宜、容易实现，家庭用户拨号上网就属于这一类通信
宽带传输 Broadband
- 是相对一般说的频带传输而言的宽频带传输；宽带是指比音频带宽更宽的频带，它包括大部分电磁波频谱
- 使用这种宽频带传输的系统，称为宽带传输系统
- 通过借助频带传输，可以将链路容量分解成两个或更多的信道，每个信道可以携带不同的信号，这就是宽带传输。宽带传输中的所有信道都可以同时发送信号，如 CATV、ISDN 等，传输的频带很宽（>=128kbps）
- 宽带传输模拟信号，数据传输速率范围为 0 ～ 400Mb/s，通常使用的传输速率是 5Mb/s ～ 10Mb/s。它可以容纳全部广播，并可进行高速数据传输。宽带传输系统多是模拟信号传输系统