【计算机网络笔记】物理层——频带传输基础

系列文章目录

什么是计算机网络？
什么是网络协议？
计算机网络的结构
数据交换之电路交换
数据交换之报文交换和分组交换
分组交换 vs 电路交换
计算机网络性能（1）——速率、带宽、延迟
计算机网络性能（2）——时延带宽积、丢包率、吞吐量/率
计算机网络体系结构概念
OSI参考模型基本概念
OSI参考模型中非端-端层（物理层、数据链路层、网络层）功能介绍
OSI参考模型中端-端层（传输层、会话层、表示层、应用层）功能介绍
TCP/IP参考模型基本概念，包括五层参考模型
网络应用的体系结构
网络应用进程通信
网络应用对传输服务的需求
Web应用之HTTP协议（涉及HTTP连接类型和HTTP消息格式）
Cookie技术
Web缓存/代理服务器技术
传输层服务概述、传输层 vs. 网络层
传输层——多路复用和多路分用
传输层——UDP简介
传输层——可靠数据传输原理之Rdt协议
传输层——可靠数据传输之流水线机制与滑动窗口协议
传输层——TCP特点与段结构
传输层——TCP的可靠数据传输
TCP连接管理（图解三次握手和四次挥手）
传输层——拥塞控制原理与解决方法
TCP的拥塞控制机制
网络层服务与核心功能
网络层服务模型——虚电路网络
网络层服务模型——数据报网络
Internet网络的网络层——IP协议之IP数据报的结构
IP分片
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IP子网划分与子网掩码
CIDR与路由聚合
DHCP协议
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ICMP（互联网控制报文协议）
IPv6简介
路由算法之链路状态路由算法
路由算法之距离向量路由算法
路由算法之层次路由
数据链路层概述
数据链路层——差错编码
多路访问控制(MAC)协议——随机访问MAC协议
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以太网
交换机
虚拟局域网(VLAN)
PPP协议
802.11无线局域网
物理层——数据通信基础
物理层——物理介质
物理层——信道与信道容量
物理层——基带传输基础

  • 系列文章目录
  • 数字调制系统
  • 二进制数字调制性能
  • 多进制数字调制

基带信号具有低通特性，可以在具有低通特性的信道中进行传输。但是许多带通信道(如无线信道) 不具有低通特性，因此不能在这些信道中直接传输基带信号。就只能利用基带信号去调制与对应信道传输特性相匹配的载波信号，通过在信道中传送经过调制的载波信号实现将基带信号所携带信息传送出去。

利用模拟基带信号调制载波，称为模拟调制，利用数字基带信号调制载波，称为数字调制。数字调制就是利用数字基带信号控制(或影响)信号的某些特征参量。

数字调制系统

在这里插入图片描述

  • 频带传输系统通常选择正弦波信号作为载波：
    在这里插入图片描述

在数字调制系统中，最简单的是使用二进制的基带信号去调制。

  • 调制幅值：二进制幅移键控(2ASK)。利用二进制基带信号控制载波信号的幅值变化：

    在这里插入图片描述

    • 二进制基带信号s(t)为单极不归零码信号波形如下所示。可以看到是利用基带信号（第一行）控制了载波信号（第二行）的幅值的变化（第三行）。
    • 在这里插入图片描述

  • 调制频率：二进制频移键控(2FSK)。

    • 选择两个不同频率的载波，f1和f2

    • 二进制基带信号编码的信息 (比特) 序列为{bn}

      在这里插入图片描述

      在这里插入图片描述

  • 调制相位：二进制相移键控(2PSK)。

    • 利用二进制基带信号控制载波信号的相位变化

    • 二进制基带信号编码的信息 (比特) 序列为{bn}

      在这里插入图片描述

      其中：

      在这里插入图片描述

    • 在这里插入图片描述

  • 二进制差分相移键控（2DPSK）：利用相邻两个码元载波间的相对相位变化表示数字基带信号的数字信息

二进制数字调制性能

  • 频带利用率：单位频带宽度上能够实现的数据速率是多少

    • 2ASK、2PSK以及2DPSK的频带利用率相同
    • 2FS的频带利用率最低

  • 误码率：哪种调制更容易产生误码

    • 在相同信噪比下，2PSK的误码率最低，而2ASK的误码率最高
    • 二进制相移键控抗噪声性能优于二进制频移键控，二进制频移键控优于二进制幅移键控

  • 对信道特性的敏感性

    • 2ASK对信道特性变化比较敏感，性能最差
    • 2FSK与2PSK对信道特性变化不敏感

多进制数字调制

在确定带宽与频带利用率的情况下，提高数据传输速率的有效方法是提高每个码元传输信息量，每个码元调制多个比特信息，这就是多进制数字调制。

数据传输速率Rb，(bps) 与码元传输速率RB。(Baud) 以及进制数M (通常为2的幂次) 之间的关系为：

在这里插入图片描述

  • Rb也称为比特率，单位为bps; 码元传输速率RB,也称为调制速率，或称为波特率，单位为Baud

多进制数字调制需要更大的信噪比，发送端需要增大发送信号的功率。

经常使用的调制系统是正交幅值调制QAM。

正交幅值调制 (QAM) 也为幅值相位联合键控(APK)。可以同时调制幅值和相位。

  • 具有高频带利用率，且可以自适应调整调制速率

  • QAM系统设备比较简单，应用广泛

  • QAM的调制信号的幅值和相位均受基带信号调制，可表示为：

    在这里插入图片描述
    其中：
    在这里插入图片描述

  • QAM信号是由两路相互正交载波经调制后叠加而成。两路载波信号的幅值分别被离散幅值序列{An}，和{Bn}所调制分别称为同相信号 (I信号) 和正交信号 (Q信号 )

QAM已调信号的矢量端点在I-Q平面上的分布，称为QAM星座图。

在这里插入图片描述

  • 两个点之间的距离越大，抗干扰能力就越强。因为发生干扰的时候不容易变为另一个点，也就是不容易出错。

QAM优点：

  • 频带利用率高
  • 抗噪声能力强
  • 调制解调系统简单

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