通信概念

接口特性

物理层定义了设备之间如何通过电缆、无线等物理媒介进行通信。物理层具有以下四种接口特性：

• 机械特性：描述物理连接设备的 外部物理形态和接口规范，🧩 主要包括：
  • 接口的形状（如RJ45、USB等）
  • 接口的引脚数量和排列顺序
  • 电缆的类型（双绞线、光纤、同轴电缆等）
• 功能特性：说明各个 接口引脚具体的功能，🧩 例如：
  • 哪个引脚负责发送数据（Tx）
  • 哪个引脚负责接收数据（Rx）
  • 哪些引脚用于控制信号，如握手（RTS/CTS）
• 过程特性：定义了在数据传输过程中，各种物理信号是 如何协作完成数据通信的过程，🧩 例如：
  • 传输起始与终止的方式
  • 信号同步的机制
  • 比特之间如何区分（串行或并行）
• 电气特性：规定了物理层信号的 电气属性，🧩 包括：
  • 电压的幅值（高电平/低电平）
  • 电流大小
  • 信号的传输速率和传输距离
  • 信号的上升沿、下降沿

通信指标

信道

与信道相关的概念有四个，需要能够辨别这几个名词：

• 信道 (Channel)：是指进行信息传输的媒介或路径。这可能是一个物理的媒介，例如电缆，或者是无线的，如无线电波。
• 信号 (Signal)：是载有信息的物理现象。例如，电信号、光信号或无线电波。
• 信源 (Source)：产生或发送信息的设备或实体。
• 信宿 (Sink or Destination)：是指接收信息的设备或实体。

码元

一个码元（symbol）就是一个脉冲信号，一个脉冲信号有可能携带 1bit 数据，也有可能携带 2bit 数据、4bit 数据。

那么怎么实现一个脉冲信号就能携带多个 bit 数据呢？我们可以通过调制技术来实现，比如设置模拟信号中信号的频率、相位、振幅等。

举个例子：把振幅分成四种，低（00）、中（01）、高（10）、很高（11），这样我发一个脉冲信号，它的振幅是低，那就说明发送的是 00（也就是 2bit），它的振幅是中（01），发送的就是 01（也就是 2bit）… 以此类推

波特

波特（Baud）是数据通信中的一个术语，用来表示符号（或码元）传输速率。具体来说，波特率（Baud rate）指的是每秒钟传输的码元（symbol）的数量。

码元和波特率：一个码元可以携带一个或多个比特的信息。波特率是指每秒钟传输多少个这样的码元。例如，如果波特率为 1000 波特，这意味着每秒可以传输 1000 个码元。

波特率与比特率：波特率和比特率的关系取决于每个码元携带的比特数。

• 一个码元能携带 1bit 数据，那么比特率 = 波特率。
• 一个码元能携带 2bit 数据，那么比特率 = 2 倍的波特率。
• 一个码元能携 4bit 数据，那么比特率 = 4 倍的波特率。

速率

速率（Rate）是指连接到计算机网络上的节点在数字信道上传送数据的速率，也称数据传输速率、数据率或比特率，单位为 b/s（比特／秒）或 bit/s（有时也写为 bps )。

当数据率较高时，可用 kb/s（k = $10^3$）、Mb/s（M = $10^6$）或 Gb/s（G = $10^9$）表示。通常把最高数据传输速率称为带宽。

速率可以用两种指标来衡量：

• 比特率：每秒传输的比特数量
• 波特率：每秒传输的波特数量

一个码元可以包含多个比特，如果一个码元携带 $n$ 比特的信息量，则波特率 M 对应的比特率为 $Mn$ bit/s

带宽

带宽（Bandwitdh）本来表示通信线路允许通过的信号频带范围，单位是赫兹（Hz）。而在计算机网络中，带宽表示 网络的通信线路所能传送数据的能力，是数字信道所能传送的“最高数据传输速率”的同义语，单位是比特/秒（b/s）。

时延

时延（Delay）指数据（一个报文或分组）从网络（或链路）的一端传送到另一端所需要的总时间，它由 4 个部分构成，分别为：发送时延、传播时延、处理时延和排队时延。

1. 发送时延：也称传输时延。节点将分组的所有比特推向（传输）链路所需的时间，即从发送分组的第一个比特算起，到该分组的最后一个比特发送完毕所需的时间。

   • 发送时延 = 分组长度 (bit) / 发送速率 (bit/s)

2. 传播时延 ：电磁波在信道（传输介质）中传播一定的距离需要花费的时间，即一个比特从链路的一端传播到另一端所需的时间。

   • 传播时延 = 信道长度 (m) / 电磁波在信道上的传播速率 (m/s)

3. 处理时延：数据在交换结点为存储转发而进行的一些必要的处理所花费的时间。例如，分析分组的首部、从分组中提取数据部分、进行差错检验或查找适当的路由等。

4. 排队时延：分组在进入路由器后要先在输入队列中排队等待处理。路由器确定转发端口后，还要在输出队列中排队等待转发，这就产生了排队时延。

因此，数据在网络中经历的总时延就是以上 4 部分时延之和：总时延＝发送时延＋传播时延＋处理时延＋排队时延。

时延带宽积

时延带宽积（Bandwidth-Delay Product，简称 BDP） 指发送端发送的第一个比特即将到达终点时，发送端已经发出了多少个比特，因此又称以比特为单位的链路长度，即

$$\text{时延带宽积}＝\text{传播时延} \times \text{信道带宽}$$

如下图所示，考虑一个代表链路的圆柱形管道，其长度表示链路的传播时延，横截面积表示链路带宽，则时延带宽积表示该管道可以容纳的比特数量。

奈奎斯特定理

奈奎斯特定理说明了在 无噪声干扰、带宽有限 的理想低通信道中的数据极限传输速率。当实际传输速率小于等于该速率时，可以实现无码间串扰的数据传输。

奈奎斯特定理的核心思想是： 即使在没有噪声的理想信道中，信道的带宽仍然限制了其数据传输能力。为了避免相邻码元之间的干扰（即码间串扰），每秒钟最多只能传输有限数量的码元，这个数量与带宽直接相关。

奈奎斯特用一个公式精确地描述了信道的极限传输速率：

$C = 2W \cdot \log_2 V$

其中：

• $C$ 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示无噪声条件下的最大传输速率；
• $W$ 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道允许通过的最高频率范围；
• $V$ 是每个码元可采用的不同离散电平数量；
• $\log_2 V$ 表示每个码元可以携带的比特数（因为 $V$ 种电平可以表示 $\log_2 V$ 比特信息）；
• $2W$ 表示每秒最多传输的码元数（波特率，baud/s）。

公式中的含义：

1. 带宽 ($W$) 越大，单位时间内可传输的码元数越多；
2. 每个码元的电平数 ($V$) 越多，所携带的信息量越大。

因此，在理想无噪声信道中，极限传输速率取决于带宽和码元的离散电平数。

香农定理

香农定理说明了在 有噪音干扰、带宽有限 的信道中的数据极限传输速率，当实际传输速率小于等于改速率时，可以做到不产生误差。

香农定理的核心思想是： 即使信道中存在噪声，只要信息传输速率低于某个极限值（即信道容量），就一定可以通过某种编码方式实现几乎无差错的传输。这个极限值取决于信道的带宽和信噪比。

香农用一个公式精确地描述了信道极限传输速率：

$$C = B * log_2(1 + \frac{S}{N})$$

其中：

• $C$ 是信道容量，单位是比特每秒 (bps)，表示信道理论上的最大传输速率。
• $B$ 是信道带宽，单位是赫兹 (Hz)，表示信道可用的频率范围。
• $S$ 是信号功率，表示信号的强度。
• $N$ 是噪声功率，表示信道中噪声的强度。
• $\frac{S}{N}$ 是信噪比（Signal-to-Noise Ratio, SNR），通常以线性形式表示（不是分贝 dB）。

公式中的含义：

1. 带宽 ($B$) 越大，信道容量 ($C$) 越大：这意味着更宽的信道可以传输更多的数据。
2. 信噪比 ($\frac{S}{N}$) 越大，信道容量 ($C$) 越大：这意味着信号相对于噪声越强，传输速率就越高。