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第二章 物理层#

目录#

1. 数据通信基础#

1.1. 信噪比#

信道的极限信息传输速率可表达为

式中， 为信道的带宽（以为单位）；为信道内所传信号的平均功率；为信道内部的高斯噪声功率。

上述公式就是著名的香农公式。香农公式表明，信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。

从香农公式可看出，若信道带宽 或信噪比 没有上限（实际的信道当然不可能是这样的），那么信道的极限信息传输速率 也就没有上限。因此在信道带宽一定的情况下，根据奈氏准则和香农公式，要想提高信息的传输速率就必须采用多元制和努力提高信道中的信噪比

1.2. 传输方式#

对于数字传输，有各种不同的传输方式，例如，并行传输和串行传输、异步传输和同步传输，以及单工、半双工和全双工通信方式。

1.2.1. 并行传输和串行传输#

并行传输，是指一次发送个比特而不是一个比特，为此，在发送端和接收端之间需要有条传输线路。

串行传输，是指数据是一个比特一个比特依次发送的，因此在发送端和接收端之间只需要一条传输线路即可。

并行传输的优点是速度为串行传输的n倍，但也存在一个严重的缺点，即成本高，通常仅用于短距离传输。例如，计算机内部的数据传输。常见的数据总线宽度有8位、16位、32位和64位。而远距离传输一般采用串行传输方式。因此，在计算机将数据发送到传输线路上时需要进行并/串转换，而计算机从传输线路上接收数据时要进行串/并转换。

1.2.2. 异步传输和同步传输#

我们知道，收发双方必须对每一个比特在线路上持续的时间达成一致，接收端才能正确地接收数据。同步就是指收发双方在时间基准上保持一致的过程。同步是数字通信中必须解决的一个重要问题。人们常说的异步传输和同步传输是指两种采用不同同步方式的传输方式。

异步传输以字节为独立的传输单位，字节之间的时间间隔不是固定的，接收端仅在每个字节的起始处对字节内的比特实现同步。为此，通常要在每个字节前后分别加上起始位和结束位。这里异步是指在字节级上的异步，但是字节中的每个比特仍然要同步，它们的持续时间是相同的。

采用同步传输方式时，数据块以稳定的比特流的形式传输，字节之间没有间隔，也没有起始位和结束位。由于不同设备的时钟频率存在一定差异，为避免在传输大量数据的过程中累积误差所导致的错误，要采取技术使收发双方的时钟保持同步。实现收发双方时钟同步的方法主要有两种，即外同步和内同步。外同步方法是在发送端和接收端之间提供一条单独的时钟线，发送端在发送数据信号的同时，另外发送一路时钟同步信号。接收端根据接收到的时钟同步信号来校正时间基准，实现收发双方的同步。内同步方法是发送端将时钟同步信号编码到发送数据中一起传输，如曼彻斯特编码与差分曼彻斯特编码都自含时钟编码，具有自同步能力。

1.2.3. 单工、半双工和全双工#

从通信双方信息交互的方式来看，可以有以下三种基本方式。

  1. 单向通信，又称为单工通信，即只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。无线电广播或有线电广播，以及电视广播就属于这种类型。
  2. 双向交替通信，又称为半双工通信，即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也就不能同时接收）。这种通信方式是一方发送另一方接收，过一段时间后再反过来。
  3. 双向同时通信，又称为全双工通信，即通信的双方可以同时发送和接收信息。

单向通信只需要一条信道，而双向交替通信或双向同时通信则都需要两条信道（每个方向各一条）。这里要提醒读者注意，有时人们也常用“单工”这个名词表示“双向交替通信”。如常说的“单工电台”并不是只能进行单向通信。

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