思维导图

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阅读笔记

1.物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
用于物理层的协议也常称为物理层规程
可将物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口有关的特性：
- 机械特性：指明接口所用接线器的形状和尺寸等
- 电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围
- 功能特性：指明某条线上出现某一电平的电压的意义
- 过程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序
- 数据在计算机内部多采用并行传输的方式，但数据在通信线路上的传输方式一般都是串行传输

2.数据通信的基础知识

数据通信系统的模型
- 一个数据通信系统可划分为三大部分：源系统（发送端，发送方）、传输系统（传输网络）和目的系统（接收端、接收方）
- 源系统包括源点和发送器，目的系统包括接收器和终点。
- 通信的目的是传送消息。
- 数据是运送消息的实体，信号则是数据的电气或电磁的表现。
- 信号可分为以下两大类：
  - 模拟信号（连续信号）：代表消息的参数的取值是连续的。用户家中的调制解调器到电话短局之间的用户线上传送的就是模拟信号
  - 数字信号（离散信号）：代表消息的参数的取值是离散的。用户家中的计算机到调制解调器之间传送的就是数字信号。
信道：信道和电路并不等同。信道一般都用来表示向某一个方向传送信息的媒体。因此，一条通信电路往往包含一条发送信道和一条接收信道。
从通信的双方信息交互的方式来看：
- 单向通信（单工通信）：只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。如无线电广播或有限电广播。只需要一条信道即可
- 双向交替通信（半双工通信）：即通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发啊送
- 双向同时通信（全双工通信）：通信双方可以同时发送和接收消息。
来自信源的信号常称为基带信号。像计算机输出的代表各种文字或者图像文件的都属于基带信号。基带信号往往包含很多的低频成分，甚至有直流成分。而许多信道不能传输这种低频或直流分量。所以必须对基带信号进行调制。
调制可分为两大类：
- 基带调制：仅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。人们把这种过程称为编码。
- 带通调制：需要使用载波进行调制，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。
常用的编码方式：
基本的带通调制方法
限制码元在信道上的传输速率的因素有以下两个：
- 信道能够通过的频率范围：信号中的许多高频分量往往不能通过信道。如果信号中的高频分量在传输时收到衰减，那么在接收端收到的波形前沿和后沿就变得不那么陡峭，这种现象叫做码间串扰。在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰的问题，使接收端对码元的判决称为不可能。
- 信噪比：噪声会使接收端对码元的判决产生错误。但噪声的影响是相对的，如果信号较强，那么噪声的影响就相对较小。信噪比就是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为S/N，并用**分贝（dB）**作为度量单位。即：信噪比(dB) = 10log₁₀（S/N）(dB)
奈氏准则：在假定的理想条件下，为了避免码间串扰码元的传输速率的上限值为**2W波特
香农定理：**
得到信道的极限信息传输速率C是：
C = Wlog₂(1+S/N) （bit/s）
其中W为信道的带宽（以Hz为单位）
香农公式表示，信道的带宽或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高
对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比也不能再提高了，可以使用编码的方法让每一个码元携带更多的比特的信息量。
假定基带信号是：1010101001111111…
可以将信号每3个比特编为一个组，即101,010,100,111,111…3个比特共有8种不同的排列。可以用不同的调制方法来表示，如用8种不同的振幅或不同的频率。也就是说，若以同样的速率发送码元，则同样时间所传送的信息量就提高了3倍。

3.物理层下面的传输媒体

传输媒体（传输介质，传输媒介）：就是数据传输系统中在发送器和接收器之间的物理通路。分为导引型传输媒体和非导引型传输媒体。在非导引型传输媒体中电磁波的传输常称为无线传输。
引导性传输媒体包括：
- 双绞线
- 同轴线缆
- 光缆
非导引型传输媒体

4.信道复用技术

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频分复用：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。频分复用的所有用户在同样的时间内占用不同的宽带资源。
时分复用（同步时分复用）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧。每一个时分复用的用户在每一个TDM帧中占用固定序号的时隙。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。
统计时分复用（异步时分复用）：是一种改进的时分复用。一般的时分复用由于计算机数据的突发性质，一个用户对已经分配到的子信道的利用率一般是不高的。当用户在某一段时间暂时无数据传输时，那就只能让已经分配到手的子信道空闲着。

所以统计时分复用使用了一个集中器，一个使用统计时分复用的集中器连接4个低速用户，然后将它们的数据集中起来通过高速线路发送到一个远地计算机。集中器能够正常工作的前提是假定各用户都是间歇地工作。
波分复用WDM：就是光的频分复用，即用光的波长来复用
码分复用CDM（码分多址CDMA）：每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型。因此个用户之间不会造成干扰。
在CDMA中，每一个比特再划分为m个短的比特，称为码片，通常m的值是64或128，如用00011011表示1的话，则11100100表示0。同时频带宽度也会提高为m倍。这种通信方式是扩频的一种，扩频包括直接序列扩频和调频扩频。
CDMA的重要特点：

每个站分配的码片序列不仅各不相同，并且还必须正交，使用的系统中是使用伪随机码序列。
任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1，和自己反码内积都是-1

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5.数字传输系统

早期的数字传输系统的缺点：
- 速度标准不统一
- 不是同步传输

6.宽带接入技术

用户要连接到互联网，必须线连接到某个ISP，以便获得上网所需的IP地址。
ADSL技术：非对称数字用户线ADSL技术是用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造。
ADSL技术把0~4KHz低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。
由于用户在上网时主要是从互联网下载各种文档，而向互联网发送的信息量一般都不是太大。因此ADSL的下行宽带都远远大于上行带宽。
ADSL最大的好处就是可以利用现有电话网中的用户线，而不需要重新布线。
光纤同轴混合网
FTTx技术

习题解答

1.常见问题与解答

“规程”、“协议”和“规约”都有何区别？
在数据通信的早期，对通信使用的各种规则都称为“规程”，后来具有体系结构的计算机网络就开始使用“协议”，规程主要在物理层使用，其它层都说协议。
“规约”是另一个名词，指经过相互协议规定下来的共同遵守的条款。
同步通信和异步通信的区别是什么？
异步通信：发送端可以在任意时刻开始发送字符，因此必须在每一个字符的开始和结束的地方加上标志，即加上开始位和停止位，以便使接收端能够正确地将每个字符接收下来。异步通信的好处是通信设备简单、便宜，但输出效率较低。

同步通信：通信双方必须先建立同步，即双方的时钟要调整到同一个频率。收发双方不停地发送和接收连续的同步比特流。

2.习题与解答

假定某信道限制的最高码元速率为20000码元/秒，如果采用振幅调制，把码元的振幅划分为16个不同的登记来传送，那么可以获得多高的数据率？
假定要用3KHz带宽的电话信道传送64Kbit/s的数据，试问这个信道应具有多高的信噪比？这个结果说明什么问题？
试计算工作在1200nm到1400nm之间以及工作在1400nm以及工作在1400nm到1600nm之间光波的频带宽度，假定光在光纤中的传播速度为2*10⁸m/s

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5. 试比较ADSL，HFC以及FTTx接入技术的优缺点
ADSL：最大的优点就是可以利用现有电话网中的用户线，不需要重新布线。缺点就是对用户线的质量有较高的要求。如果用户住宅距离电话交换局较远，或线路的噪声较大，那么宽带接入技术的速率就会适当地降低。
HFC：优点就是覆盖面很广，并且宽带也很高，可以传送很高速率的数据。缺点就是必须对现有单向传输的有线电缆进行改造，变为双向通信的电缆。
FTTx：是解决宽带接入最理想的方案。因为光纤可传送的数据率很高，并且通信质量最好。但是大量用户使用光纤接入还需要较多的建设资金。