5、数据通讯(物理层)

数据通讯(物理层)

1、 基本概念

信息源

  • 信息源可以是任意类型:存储在计算机中的位,音频,视频
  • 一种形式可以转换为另一种形式
  • 传输使用物理系统,利用自然现象:电,电磁辐射,光等
  • 多种信息来源可以共享基础媒体
  • 通讯系统:接受来自一个或多个来源的输入,将信息从给定来源传递到指定目的地(信息来源可以是任意的,而不仅仅是计算机!)

模拟信号和数字信号

  • 模拟信号:连续,通过所有可能的中间值从一个值变为另一个
  • 数字信号:不连续,瞬间从一个级别移动到另一个级别

周期性和非周期性信号

  • 正弦波:许多自然现象会产生与时间相关的正弦波信号
  • 正弦波四个重要特性: 频率:每单位时间的振荡次数(秒),以赫兹(Hz)为单位测量
    振幅:最大和最小信号高度之间的差异
    相位:正弦波的开始距离参考时间有多远
    波长:信号在介质中传播时的周期长度

复合信号

  • 大多数信号是复合信号
  • 信号可以分解为一组简单的正弦波
  • 消息源共享通信介质是很常见的:因此信号必须以某种方式组合调制
  • 可以将复合信号分解为其组成部分

2、 传输媒介

2.1 电信号–铜线

  • 常见,价格便宜,易于安装,但有干扰
  • 双绞线:UTP,STP
  • 同轴电缆

2.2 光信号-光纤

  • 细玻璃管可内部反射光,并涂有塑料以提高灵活性
  • 发射器使用LED或激光,接收器使用光敏晶体管

特点

优点:

  • 无电气干扰
  • 传输的信号远比铜传输的信号远
  • 一次携带更多信息
  • 只需要一根光纤-不像铜需要一对光纤来形成电路

缺点:

  • 但很难找到休息

2.3 光信号-红外线

  • 点对点
  • 最初用于遥控器
  • 可用于将计算机连接至外围设备,例如 打印机

优点:

  • 便携式-无需天线
  • 价格便宜

缺点:

  • 范围有限
  • 对发射器到接收器的方向敏感

2.4 光信号-激光

  • 使用光通过空气传播信息(不需要光纤)
  • 点对点
  • 激光束会长时间聚焦:因此,发送和接收设备必须精确对准
  • 要求视线一致,很容易被挡住(例如雾气)。

2.5 电磁辐射(EM)-无线电,卫星,微波

  • 在空中广播电磁波以无线电频率(RF): 〜3KHz-300GHz
  • 每台计算机都使用天线-无需直接连接
  • 属性根据频率而变化
  • 天线的大小决定了范围-整个城镇或在房间
  • RF传输优于光:可以穿越很长一段距离并穿透墙壁
  • 微波–比RF更高的频率
    定向
    比RF可以携带更多信息
    无法穿透金属结构,因此需要具有直视线的高塔

信号传播

  • 电磁波的频率决定了电磁波的传播方式,功率要求,对噪声的敏感性
  • 不能随意选择用于无线网络技术的频率:如使用政府控制的频谱

扩大卫星范围

  • 微波不会绕地球弯曲,因此需要长距离的卫星
  • 卫星价格昂贵-每颗卫星都会以不同的频率与许多客户打交道
  • 地球同步卫星和一组低地球轨道卫星

地球同步轨道卫星

  • 轨道与地球自转同步
  • 海拔约为。 20,000英里(高地球轨道)
  • 相同频率需要角间隔(4-8°)

低地球轨道卫星

  • 大约 200-400英里高度
  • 轨道通常为1.5小时
  • 可用性有限+跟踪复杂的问题
  • 60颗覆盖地球的卫星阵列

3、媒体类型之间的权衡

  • 费用:材料,安装,操作,维护
  • 数据速率:每秒位数
  • 延迟:信号传播或处理所需的时间
  • 对信号的影响:衰减和失真
  • 环境:易受干扰和电噪声
  • 安全性:容易被窃听

4、 奈奎斯特定理-噪声

  • 干扰导致噪音
  • 在无错误(无噪声)的介质上发送数据的最大速度存在理论上的限制,但是我们永远无法实现这一目标!
    为什么? 由于噪音
  • 奈奎斯特定理鼓励工程师探索对信号上的位进行编码的方法。
    巧妙的编码允许每单位时间传输更多位

5、拓展:

第5-7章,“计算机网络和互联网”,Douglas Comer,第6版,2015年

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