3.编码与调制

信道与信号

信道：信号的传输媒介。一般用来表示向某一个方向传送信息的介质，因此一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

基带信号：将数字信号1和0直接用两种不同的电压表示，再送到数字信道上去传输（基带传输）。来自信源的信号，像计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。基带信号就是发出的直接表达了要传输的信息的信号，比如我们是说话的声波就是基带信号。

宽带信号：将基带信号进行调整后形成的频分复用模拟信号，再传送到模拟信道上去传输（宽带传输）。把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

区别

在传输距离较近时，计算机网络采用基带传输方式（近距离衰减小，从而信号内容不易发生变化）

在传输距离较远时，计算机网络采用宽带传输方式（远距离衰减大，即使信号变化大也能最后过滤出来基带信号）

编码与调制

编码:数字数据编码为数字信号

非归零编码【NRZ】：高1低0，编码容易实现，但没有检错功能，且无法判断一个码元的开始和结束，以至于收发双方难以保持同步

曼彻斯特编码：将一个码元分成两个相等的间隔，前一个间隔为低电平后一个间隔为高电平表示码元1，码元0则正好相反。也可以采用相反的规定。该编码的特点是在每一个码元的中间出现电平跳变，位中间的跳变既做时钟信号（可用于同步），又做数据信号，但它所占的频带宽度是原始的基带宽度的两倍。每一个码元都被调成两个电平，所以数据传输速率只有调制速率的1/2。

差分曼彻斯特编码：同1异0，常用于局域网传输，其规则是：若码元为1，则前半个码元的电平与上一个码元的后半个码元的电平相同，若为0，则相反。该编码的特点是，在每个码元的中间，都有一次电平的跳转，可以实现自同步，且抗干扰性强于曼彻斯特编码。

归零编码【RZ】：信号电平在一个码元之内都要恢复到0的这种编码成编码方式。

反向不归零编码【NRZI】：信号电平翻转表示0，信号电平不变表示1。

4B/5B编码：比特流中插入额外的比特以打破一连串的0或1，就是用5个比特来编码4个比特的数据，之后再传给接收方，因此称为4B/5B，编码效率为80%。

只采用16种对应16种不同的4位码，其他的16种作为控制码（帧的开始和结束，路线的状态信息等）或保留。

编码：模拟数据编码为数字信号

计算机内部处理的是二进制数据，处理的都是数字音频，所以需要将模拟音频通过采样、量化转换成有限个数字表示的离散序列（即实现音频数字化）。

最典型的例子就是对音频信号进行编码的脉冲调制（PCM），在计算机应用中，能够达到最高保真水平的就是PCM编码，被广泛用于素材保存及音乐欣赏，CD、DVD以及我们常见的WAV文件中均有应用。它主要包括三步：抽样、量化、编码。

抽样：对模拟信号周期性扫描，把时间上连续的信号变成时间上离散的信号。为了使所得的离散信号能无失真的代表被抽样的模拟数据，要使用采样定理进行采样：f采样频率>2f信号最高频率

量化：把抽样取得的电平幅值按照一定的分级标度转化为对应的数字值，并取整数，这就把连续的电平幅值转换为离散的数字量。

编码：把量化的结果转换为与之对应的二进制编码。

数字数据调制为模拟信号

数字数据调制技术在发送端将数字信号转换为模拟信号，而在接收端将模拟信号还原为数字信号，分别对应于调制解调器的调制和解调过程。

模拟数据调制为模拟信号

为了实现传输的有效性，可能需要较高的频率。这种调制方式还可以使用频分复用技术，充分利用带宽资源。在电话机和本机交换机所传输的信号是采用模拟信号传输模拟数据的方式；模拟的声音数据是加载到模拟的载波信号中传输的。

4.传输介质

传输媒介及分类

传输媒介：也称传输媒体/传输媒介，它就是数据传输系统中在发送设备和接收设备之间的物理通路。

传输媒体并不是物理层。传输媒体在物理层的下面，因为物理层是体系结构的第一层，因此有时称传输媒体为0层。在传输媒体中传输的是信号，但传输媒体并不知道所传输的信号代表什么意思。但物理层规定了电气特性，因此能够识别所传送的比特流。

分类：

导向性传输介质：电磁波被导向沿着固体媒介（铜线/光纤）传播。

非导向性传输介质：自由空间，介质可以是空气、真空、海水等。

导向性传输介质：双绞线

双绞线是古老、又最常用的传输介质，它由两根采用一定规则并排绞合的、相互绝缘的铜导线组成。

为了进一步提高抗电磁干扰能力，可在双绞线的外面再加上一个由金属丝编织成的屏蔽层，这就是屏蔽双绞线（STP），无屏蔽层的双绞线就称为非屏蔽双绞线（UTP）

双绞线价格便宜，是最常用的传输介质之一，在局域网和传统电话网中普遍使用。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几公里到数十公里。距离太远时，对于模拟传输要用放大器放大衰减的信号；对于数字传输，要用中继器将失真的信号整形。

导向性传输介质：同轴电缆

同轴电缆由导体铜质芯线、绝缘层、网状编织屏蔽层和塑料层构成。按特性抗阻数值的不同，通常将同轴电缆分为两类：50Ω同轴电缆和75Ω同轴电缆。

其中，50Ω同轴电缆主要用于传送基带数字信号，又称为基带同轴电缆，它在局域网中得到广泛应用；75Ω同轴电缆主要用于传送宽带信号，又称为宽带同轴电缆，它主要用于有线电视系统。

同轴电缆VS双绞线

由于外导体屏蔽层的作用，同轴电缆抗干扰特性比双绞线好，被广泛用于传输较高速率的数据，其传输距离更远，但价格较双绞线贵。

导向性传输介质：光纤

光纤通信就是利用光导纤维（简称光纤）传递光脉冲来进行通信。有光脉冲表示1，无光脉冲表示0。而可见光的频率大约是108MHz，因此光纤通信系统的带宽远远大于目前其他各种传输媒体的带宽。

光纤在发送端有光源，可以采用发光二极管或半导体激光器，它们在电脉冲作用下能产生出光脉冲：在接收端用光电二极管做成光检测器，在检测到光脉冲时可还原出电脉冲。

光纤主要由纤芯（实心的！）和包层构成，光波通过纤芯进行传导，包层较纤芯有较低的折射率。当光线从高折射率的介质射向低折射率的介质时，其折射角将大于入射角。因此，如果入射角足够大，就会出现全反射，即光线碰到包层时候就会折射回纤芯、这个过程不断重复，光也就沿着光纤传输下去。

分类

单模光纤：是一种在横向模式直接传输光信号的光纤，光源为定向性很好的激光二极管，特点是衰耗小，适合远距离传输。

多模光纤：有多种传输光信号模式的光纤，光源为发光二极管，特点是易失真，适合近距离传输。

特点

1 ．传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济。

2 ．抗雷电和电磁干扰性能好。

3 ．无串音干扰，保密性好，也不易被窃听或截取数据。

4 ．体积小，重量轻。

非导向性传输介质

无线电波

较强穿透能力，可传远距离，广泛用于通信领域（如手机通信）。信号向所有方向传播。

微波

微波通信频率较高、频道范围宽，因此数据率很高。信号固定方向传播。

分类

地面微波接力通信

卫星通信

优点：通信容量大，距离远，覆盖广， 广播通信和多址通信。

缺点：传播时延长（250-270ms），受气候影响大（强风、太阳黑子爆发、日凌），误码率较高，成本高。

红外线、激光

把要传输的信号分别转换为各自的信号格式，即红外光信号和激光信号，再在空间中传播。信号固定方向传播。

5.物理层设备

中继器

诞生原因

由于存在损耗，在线路上传输的信号功率会逐渐衰减，衰减到一定程度时将造成信号失真，因此会导致接收错误。

中继器的功能

对信号进行再生和还原，对衰减的信号进行放大，保持与原数据相同，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。

中继器的两端

两端的网络部分是网段，而不是子网，适用于完全相同的两类网络的互连，且两个网段速率要相同。

中继器只将任何电缆段上的数据发送到另一段电缆上，它仅作用于信号的电气部分，并不管数据中是否有错误数据或不适于网段的数据。

两端可连相同媒体，也可连不同媒体。

中继器两端的网段一定要是同一个协议（中继器不会存储转发）。

5-4-3规则

网络标准中都对信号的延迟范围作了具体的规定，因而中继器只能在规定的范围内进行，否则会网络故障。

集线器

集线器（多口中继器）

集线器的功能：对信号进行再生放大转发，对衰减的信号进行放大，接着转发到其他所有（除输入端口外），处于工作状态的端口上，以增加信号传输的距离，延长网络的长度。不具备信号的定向传送能力，是一个共享式设备。