计算机网络-物理层

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计算机网络-物理层

物理层的基本概念

物理层功能

物理层的接口特性

• 机械特性
  • 形状和尺寸，引脚数目和排列，固定和锁定装置
• 电气特性
  • 信号电压的范围，阻抗匹配的情况，传输速率，距离限制
• 功能特性
  • 规定接口电缆的各条信号线的作用
• 过程特性
  • 规定在信号线上传输比特流的一组操作过程，包括各信号间的时序关系

物理层下面的传输媒体

传输媒体的分类

传输媒体是计算机网络设备之间的物理通路，也称为传输介质或传输媒介。

传输媒体并不包含在计算机网络体系结构中。

传输媒体：

导向型传输媒体（固体媒体）

• 同轴电缆

同轴电缆价格较贵且布线不够灵活和方便。随着技术的发展和集线器的出现，在局域网领域基本上都采用双绞线作为传输媒体。

• 双绞线

绞合的作用：减少相邻导线间的电磁干扰，抵御部分来自外界的电磁干扰

• 光纤

光纤通信利用光脉冲在光纤中的传递来进行通信。由于可见光的频率非常高（约为108MHz量级），因此一个光纤通信系统的传输带宽远大于目前其他各种传输媒体的带宽。
优点：通信容量非常大，抗雷电和电磁干扰性能好，传输损耗小，中继距离长，无串音干扰，保密性好，体积小，重量轻
缺点：切割光纤需要较贵的专用设备，，目前光电接口还比较昂贵

非导向型传输媒体（自由空间）

• 无线电波
• 微波
• 红外线
• 大气激光
• 可见光

传输方式

串行传输和并行传输

同步传输和异步传输

同步传输

收发双方时钟同步的方法：
外同步：在收发双方之间增加一条时钟信号线。
内同步：发送端将时钟信号编码到发送数据中一起发送（例如曼彻斯特编码）。

异步传输

字节之间异步，即字节之间的时间间隔不固定。
字节中的每个比特仍然要同步，即各比特的持续时间是相同的。

编码与调制

编码与调制的基本概念

码元
在使用时间域的波形表示信号时，代表不同离散数值的基本波形称为码元。

双极性不归零编码：

双极性归零编码

曼彻斯特编码

差分曼彻斯特编码

练习题：

基本的带通调制方法和混合调制方法

因为载波的频率和相位是相关的，即频率是相位随时间的变化率，所以载波的频率和相位不能进行混合调制。
通常情况下，载波的相位和振幅可以结合起来一起调制，例如正交振幅调制QAM。
正交振幅调制QAM-16

• 12种相位
• 每种相位有1或2种振幅可选
• 可以调制出16种码元（波形），每种码元可以对应表示4个比特（log216=4）

信道的极限容量

造成信号失真的主要因素

• 码元的传输速率
• 信号的传输距离
• 噪声干扰
• 传输媒体的质量

信道上传输的数字信号，可以看做是多个频率的模拟信号进行多次叠加后形成的方波。如果数字信号中的高频分量在传输时受到衰减甚至不能通过信道，则接收端接收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，每一个码元所占的时间界限也不再明确。这样，在接收端接收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限，这种现象称为码间串扰。如果信道的频带越宽，则能够通过的信号的高频分量就越多，那么码元的传输速率就可以更高，而不会导致码间串扰。然而，信道的频率带宽是有上限的，不可能无限大。因此，码元的传输速率也有上限。

奈氏准则

理想低通信道的最高码元传输速率 = 2W Baud= 2W 码元/秒

• W：信道的频率带宽（单位为Hz）
• Baud：波特，即码元/秒

使用奈氏准则给出的公式，就可以根据信道的频率带宽，计算出信道的最高码元传输速率。
只要码元传输速率不超过根据奈氏准则计算出的上限，就可以避免码间串扰。
奈氏准则给出的是理想低通信道的最高码元传输速率，它和实际信道有较大的差别。因此，一个实际的信道所能传输的最高码元传输速率，要明显低于奈氏准则给出的上限值。
码元传输速率又称为波特率、调制速率、波形速率或符号速率。
波特率与比特率有一定的关系：
当1个码元只携带1比特的信息量时，波特率（码元/秒）与比特率（比特/秒）在数值上是相等的。
当1个码元携带n比特的信息量时，波特率（码元/秒）转换成比特率（比特/秒）时，数值要乘以n。

香农公式

带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限信息传输速率
$C=Wlo{g}_2(1+\frac{S}{N})$
C：信道的极限信息传输速率（单位为b/s）
W：信道的频率带宽（单位为Hz）
S：信道内所传信号的平均功率
N：信道内的高斯噪声功率
S/N：信噪比，使用分贝（dB）作为度量单位
信噪比（dB）=10log_10(S/N)（dB）
信道的频率带宽W或信道中的信噪比S/N越大，信道的极限信息传输速率C就越高。实际信道不可能无限制地提高频率带宽W或信道中的信噪比S/N。实际信道中能够达到的信息传输速率，要比香农公式给出的极限传输速率低不少。这是因为在实际信道中，信号还要受到其他一些损伤，例如各种脉冲干扰和信号衰减等，这些因素在香农公式中并未考虑。
在信道的频率带宽W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（更复杂的调制技术），并努力提高信道中的信噪比。 自从香农公式发表后，各种新的信号处理和调制方法就不断出现，其目的都是为了使码元可以携带更多个比特，进而可以尽可能地接近香农公式给出的传输速率极限。
题目：

信道复用技术

信道复用技术的基本原理

复用（Multiplexing）就是在一条传输媒体上同时传输多路用户的信号。
当一条传输媒体的传输容量大于多条信道传输的总容量时，就可以通过复用技术，在这条传输媒体上建立多条通信信道，以便充分利用传输媒体的带宽。
尽管实现信道复用会增加通信成本（需要复用器、分用器以及费用较高的大容量共享信道），但如果复用的信道数量较大，还是比较划算的。

常用的信道复用技术

频分复用FDM：频分复用的所有用户同时占用不同的频带资源并行通信
时分复用TDM：时分复用的所有用户在不同的时间占用同样的频带
波分复用WDM：光的频分复用FDM，根据频分复用的设计思想，可在一根光纤上同时传输多个频率（波长）相近的光载波信号，实现基于光纤的频分复用技术，目前可以在一根光纤上复用80路或更多路的光载波信号。因此，这种复用技术也称为密集波分复用DWDM。
码分复用CDM：码分复用（Code Division Multiplexing，CDM）常称为码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA），它是在扩频通信技术的基础上发展起来的一种无线通信技术。与FDM和TDM不同，CDMA的每个用户可以在相同的时间使用相同的频带进行通信。CDMA最初用于军事通信，这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。随着技术的进步，CDMA设备的价格和体积都大幅度下降，因而现在已广泛用于民用的移动通信中。CDMA将每个比特时间划分为m个更短的时间片，称为码片（Chip）。m的取值通常为64或128。为了简单起见，在后续的举例中，我们假设m的取值为8。CDMA中的每个站点都被指派一个唯一的m比特码片序列（Chip Sequence）。

• 某个站要发送比特1，则发送它自己的m比特码片序列；
• 某个站要发送比特0，则发送它自己的m比特码片序列的反码。

如果有两个或多个站同时发送数据，则信道中的信号就是这些站各自所发送一系列码片序列或码片序列反码的叠加。为了从信道中分离出每个站的信号，给每个站指派码片序列时，必须遵循以下规则：

• 分配给每个站的码片序列必须各不相同，实际常采用伪随机码序列。
• 分配给每个站的码片序列必须相互正交，即各码片序列相应的码片向量之间的规格化內积为0。

令向量A表示站A的码片向量，向量B表示站B的码片向量。两个不同站A和B的码片序列相互正交，就是向量A与向量B的规格化內积为0，如下式所示。