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通信基础

通信基础

物理层是计算机网络体系结构的最底层,负责在物理传输介质上传输原始比特流。要理解物理层的工作原理,首先需要掌握通信的基本概念。

1. 信道

信道是传输数据的物理通路,是信息传输的媒介。

特点:

  • 可以是有线介质(如双绞线、光纤)
  • 可以是无线介质(如无线电波、微波)
  • 具有特定的传输特性(带宽、衰减、噪声等)

分类:

  • 按传输方向:单工、半双工、全双工
  • 按复用方式:时分复用、频分复用、码分复用

2. 信号

信号是数据的载体,是携带信息的物理量。

模拟信号

  • 连续变化的信号
  • 可以取无限多个值
  • 如:声音信号、电视信号

数字信号

  • 离散的信号
  • 只能取有限个值(通常是 0 和 1)
  • 如:计算机数据

信号转换:

模拟信号 ←→ 数字信号
    ↑           ↓
  调制        解调

3. 带宽

带宽是信道可通过的最高频率范围,决定了最大数据传输速率。

单位: Hz(赫兹)

特点:

  • 带宽越大,传输速率越高
  • 带宽受传输介质限制
  • 实际传输速率通常小于理论带宽

示例:

  • 电话线:3.4kHz
  • 以太网:100MHz
  • 光纤:可达 THz 级别

4. 码元、波特、速率

码元(Symbol)

  • 信号的最小单位
  • 一个码元可以携带多个比特
  • 如:4PSK 调制中,一个码元携带 2 个比特

波特(Baud)

  • 每秒传输的码元数
  • 单位:波特(Baud)
  • 表示信号的调制速率

速率(Bit Rate)

  • 每秒传输的比特数
  • 单位:bps(比特/秒)
  • 实际的数据传输速率

关系:

速率 = 波特 × 每码元比特数

示例:

  • 如果波特率为 1000,每码元携带 2 个比特
  • 则速率为:1000 × 2 = 2000 bps

5. 信源与信宿

信源(Source)

  • 信息的发送方
  • 产生要传输的数据
  • 如:计算机、手机、传感器

信宿(Sink)

  • 信息的接收方
  • 接收并处理数据
  • 如:服务器、显示器、执行器

通信模型:

信源 → 信道 → 信宿
  ↑              ↓
数据发送        数据接收

6. 通信系统的基本组成

一个完整的通信系统包括:

  1. 信源:产生信息
  2. 发送设备:将信息转换为信号
  3. 信道:传输信号的媒介
  4. 接收设备:将信号转换回信息
  5. 信宿:接收信息
  6. 噪声源:干扰信号传输的各种因素

通信系统模型:

信源 → 发送设备 → 信道 → 接收设备 → 信宿
                    ↑
                噪声源

总结

通信基础是理解物理层的前提,掌握这些基本概念有助于:

  1. 理解传输原理:知道数据是如何在物理介质上传输的
  2. 分析传输性能:能够计算和评估传输速率
  3. 选择传输方案:根据需求选择合适的传输介质和方式
  4. 解决传输问题:能够诊断和解决传输中的问题

这些概念为后续学习传输理论、编码调制等技术奠定了坚实的基础。