计算机网络复习笔记03_物理层

1. 物理层主要解决的问题

进行信号和比特流的转换，实现透明传输比特流，尽量使数据链路层感觉不到传输媒体之间的差异。

2. 物理层的主要任务

机械特性

接插件的形状、尺寸、引脚数目和排列等规格

电气特性

电压范围

功能特性

某电平电压的意义

过程特性

不同功能的各种可能事件的出现顺序。

数据通信系统的模型

源系统

1. 源点

   又称信源，源站。

   产生要传输的数据（比特流）。

2. 发送器

   对源点生成的比特流进行编码，然后在传输系统中进行传输。

传输系统

可以是简单的传输线，也可以是复杂的网络系统。

目的系统

1. 接收器

   接收信号，转换为终点可以处理的信息。

   比如解调器，把模拟信号还原为比特流。

2. 终点

   又称目的站、信宿。

   获取接收器传来的比特流。

通信常用术语

通信的目的是传送消息。

消息

消息是本质。

数据

数据是运送消息的实体。

信号

信号是数据的电气或电磁表现。

信号的分类和调制

根据信号中代表消息的参数的取值方式分类

模拟信号

代表消息的参数取值是连续的。

数字信号

代表消息的参数取值是离散的。

码元：承载信息的基本信号单位。

有两个要素：码元的取值个数$M$（$M$进制码元）和码元携带的信息量（即码元的位数）$n$。

$n\ge lo{g}_2^M$

https://zhidao.baidu.com/question/680218902599074452.html

调制

	基带信号	带通信号
频率	低，甚至有直流成分	高
传播距离	短	远

许多信道并不能传输低频分量或直流分量。为解决这个问题，必须对基带信号进行调制。

1. 基带调制

   作用

   又称编码。

   仅对基带信号的波形进行变换，使其与信道特性相适应。

   变换后的信号仍为基带信号。

   方法

   • 不归零制
   • 归零制
   • 曼彻斯特编码
   • 差分曼彻斯特编码

2. 载波调制

   作用

   使用载波，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。

   经过载波调制后的信号称为带通信号，带通指仅在一段频率范围内能够通过信道。

   方法

   • 调幅
   • 调频
   • 调相

信道

信道指向某一个方向传送信息的媒体。

一条通信线路往往包含一条发送信道和一条接收信道。

三种通信基本方式

从通信的双方信息交换的方式来看

	单工通信	半双工通信	全双工通信
通信方向	通信只能有一个方向	双向交替通信	双向同时通信
信道数	一条	两条	两条

信道的极限容量

信号在信道上传输会失真。

从概念上讲，限制码元在信道上的传输速率的因素有两个：

信道能够通过的频率范围

码间串扰：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限。

奈氏准则：指出在假定的理想条件下，为避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。

在任何信道中，码元的传输速率是有上限的，超过上限，就会出现严重的码间串扰问题。

波特：Baud，码元传输速率的单位。1 Baud即每秒传送1个码元。

信噪比

信噪比就是信号平均功率$S$和噪声平均功率$N$之比，常记为$S/N$，并用分贝$dB$作为度量单位。
$$信噪比(dB)=10lo{g}_{10}^{S/N}(dB)$$
香农公式指出，信道的极限信息传输速率$C$是：
$$C=Wlo{g}_2^{1+S/N}(bit/s)$$
式中，$W$为信道的带宽，单位为$Hz$。

香农公式表明：信道的带宽或信噪比越大，信道的极限传输速率就越大。

其他因素

对于频带宽度、信噪比和码元传输速率已确定的信道，我们可以通过让每一个码元携带更多的信息量提高信息的传输速率。

码元个数不是越多越好。

如果每个码元携带的信息量$n$越大，即码元取值的数量越多，则在接收端进行调解时要正确识别每一个码元就越困难，导致出错率增加。

奈氏准则和香农公式的主要区别

• 奈氏准则指出了，码元传输速率是受限的，不能任意提高，否则在接收端就无法正确判定码元是1还是0（因为有码元之间的相互干扰）。

  奈氏准则是在理想条件下推导出的。在实际条件下，最高码元传输速率要比理想条件下得出的数值还要小些。电信工程技术人员的任务就是要在实际条件下，寻找出较好的传输码元波形，将比特转换为较为合适的传输信号。

  需要注意的是，奈氏准则并没有对信息传输速率给出限制。要提高信息传输速率就必须使每一个传输的码元能够代表许多个比特的信息。这就需要很好的编码技术。

• 香农公式给出了信息传输速率的极限，即对于一定的传输带宽（以赫兹为单位）和一定的信噪比，信息传输速率的上限就确定了。这个极限是不能够突破的。要想提高信息的传输速率，或者必须设法提高传输线路的带宽，或者必须设法提高所传信号的信噪比，此外没有其他任何办法。

  香农公式告诉我们，若要得到无限大的信息传输速率，只有两个办法：要么使用无限大的传输带宽，要么使信号的信噪比无限大（即采用没有噪声的传输信道或使用无限大的发送功率）。当然这都是不可能的。

物理层下面的传输媒体

物理层的“连接”不一定是使用导线的“连接”，比如无线连接就不是使用导线的“连接”。

导引型传输媒体

非导引型传输媒体

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

所有用户在同一时间占用不同的带宽资源。

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。

• 波分复用

就是光的频分复用。

时分复用

又称同步时分复用。考过图2-15。

所用用户在不同时间内用同样的频度带宽。

由于计算机数据的突发性质，时分复用时一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。

• 统计时分复用

与同步时分复用相比，它按需动态分配时间。

频分复用和时分复用的优缺点

• 优点

  技术比较成熟

• 缺点

  不够灵活

码分复用

又称码分多址。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰。

每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

码片定义

每一个比特用m个比特表示，这m个比特称为码片。

每个用户发送的是码片（代表1）、码片反码（代表0）或不发送。

接收方用想接收的发送方的码片与收到的信号进行规格化內积。

若规格化內积为1，则发送方发送了码片，即1；若为-1，则发送方发送了码片反码，即0。

码片特点

內积：同位相乘之和

规格化內积：內积除以位数

正交：內积为0

• 分配给每个用户的码片必须各不相同，并且相互正交。
• 某用户码片与其他用户码片（或码片的反码）內积为0。
• 码片与自身规格化內积为1。
• 码片与自身反码规格化內积为-1。