计算机网络复习-第二章物理层

• 物理层基本概念

  • 定义
    • 物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机传输媒体上传输数据比特流，而不是具体的传输媒体。
  • 作用
    • 要尽可能地屏蔽掉不同传输媒体和通信手段地差异，使得物理层上面的数据链路层感觉不到这些差异，这样就可以使得数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议和服务，而不必考虑网络具体的传输媒体和通信手段是上面。
  • 主要任务
    • 确定与传输媒体地接口地一些特性 （机械特性，电气特性，功能特性和过程特性）

• 数据通信基础知识

  • 数据通信系统的模型

    

    • 组成部分
      • 源系统（源点，发送器）
      • 传输系统
      • 目的系统（接收器，终点）

  • 常用术语

    • 数据

      • 运送消息的实体

    • 信号

      • 数据的电气或电磁的表现

    • 模拟信号

      • 代表消息的参数的取值是连续的

    • 数字信号

      • 代表消息的参数的取值是离散的

    • 码元

      • 在使用的时间域的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

    • 信道

      • 像某一个方向传送信息的媒体

    • 单工通信

    • 半双工通信

    • 全双工通信

    • 基带信号

      • 定义

        • 基本频带信号，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。

      • 过程

        • 基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。因此必须对基带信号进行调制由数字信号变成模拟信号。

          • 调制分类

            • 基带调制

              • 定义
                • 仅对基带信号的波形进行变换，使它能够与信道特性相适应。变换后的信号仍然是基带信号。把这种过程称为编码。
              • 常用编码方式
                • 不归零制
                • 归零制
                • 曼彻斯特编码（产生地信号频率比不归零制高）
                • 差分曼彻斯特编码

            • 带通调制：使用载波进行调制，把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，并转换为模拟信号（带通信号），这样就能更好地在模拟信道中传输。

              • 二元制调制方法

              

              • 调幅
              • 调频
              • 调相

  • 信道的极限容量

    • 信道在传输信号的时候会产生各种失真以及带来多种干扰
    • 码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，或传输媒体的质量越差，在信道的输出端的波形的失真就越严重
    • 极限容量影响因素
      • 信道能够通过的频率范围
        • 在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰。
        • 信噪比S/N
          • 信号平均功率和噪声的平均功率之比
          • 信噪比=10log10(S/N)
        • 香农公式（带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率）
          • C = Wlog2（1+S/N）(bit/s)
          • W是信道带宽
          • 对于带宽已经确定的信道，如果信噪比不能再提高了，同时码元传输速率也达到了上限值，那么可以通过编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量
      • 物理层下面的传输媒体
        • 导引型传输媒体
          • 双绞线：功能多，便宜
          • 同轴电缆：抗干扰性，被广泛用于传输较高速率的数据
          • 光缆：光纤
            • 优点
              • 通信容量非常大
              • 传输损耗小，中继距离长
              • 抗雷电和电磁干扰性能好
              • 无串音干扰，保密性好
              • 体积小，重量轻
        • 非导引型传输媒体
        • 短波通信：主要是靠电离层的反射，通信质量差，传输速率低。
        • 微波
          • 地面微波接力通信
          • 卫星通信（较大传播时延）

  • 信道复用技术（复用允许用户使用一个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率）

    • 频分复用FDM

      

      • 将整个带宽分为多份，用户在分配到一定的频带后，在通信过程中自始至终都占用这个频带

    • 时分复用TDM

      • 

      • 将时间划分为一段段等长的时分复用帧。每一个用户所占用的时隙是周期性出现的，其周期就是TDM帧的长度

      • TDM信号也叫等时信号，时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度

      • 缺点：由于计算机数据的突发性质，用户对分配的子信道的利用率一般是不高的

    • 统计时分复用STDM

      

      • STDM帧不是固定分配时隙，而是按需动态的分配时隙，因此STDM可以提高线路的利用率

    • 波分复用WDM（光的频分复用）

    • 码分复用CDM

      • 背景
        • 多个信号必须在同一个频率，同一个时间利用同一个信道去发送
      • 码分多址CDMA
        • 各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会造成干扰，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。
      • 码片序列
        • 每个比特时间划分为m各短的间隔，称为码片。每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。
      • 码片序列实现了扩频
        
      • 特点
        • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交
      • 工作原理
        为m各短的间隔，称为码片。每个站被指派一个唯一的m bit码片序列。
      • 码片序列实现了扩频
        • [外链图片转存中…(img-HsumwAik-1658978897239)]
      • 特点
        • 每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交
      • 工作原理