计算机网络-物理层

Summary

1.物理层的功能

2.data communication的理论基础（开头的公式及带宽、symbol、比特率的概念）

3.传输介质（有线、无线、卫星）

4.调制方案（幅移键控、频移键控、相移键控）

5.复用（频分、时分）

6.communication system的例子（电话系统的结构，CDMA）

物理层

• 物理层的功能

  比特作为信号在信道上发送时处理机械、电气和定时接口，以及物理传输介质。

• 传输介质

  • guided有线（copper wire and fiber optics）

  • wireless无线

  • satellite卫星

• 三个计算机广域网的通信系统实例

  • telephone system
  • mobile phone system
  • cable television system

• 在传输过程中振幅不会明显减弱的频率的宽度称为带宽bandwidth

  带宽是传输介质的一种物理特性，通常取决于介质的构成、厚度和电线或光线的长度。

  带宽是指通过的频率的宽度，其所承载的信息仅仅取决于这个频率的宽度而不是频率的起始位置和终止位置。一般将由0到某个最大频率的信号称为baseband signal 基带信号，将被搬移并占用某个更大频率范围的信号称为passband signal 通带信号。

• 信道的最大数据速率
  无噪声信道 maximum data rate = 2H log2V
  有噪声情况 总会有随机噪声（热噪声） 热噪声的数量可以用信号功率与噪声功率的比值来度量，这个比值称为信（号）噪（声）比 SNR Signal-to-Noise

• 引导性传输介质

  1. 磁介质 magnetic media
  2. 双绞线 twisted pair
  3. 同轴电缆 coaxial cable
  4. 电力线 fiber optics

• 无线传输 Wireless Transmission

  （1） 电磁频谱 Electromagnetic Spectrum
  使用较宽频段的使用方式

  a. Frequency hopping spread spectrum 跳频扩频
  发射器以每秒几百次的频率从一个频率跳到另一个频率用于军事用途较多

  b. Direct sequence spread spectrum 直接序列扩频
  使用一个code sequence将数据信号展开到一个很宽的频段上广泛用于多个信号共享同一频段的频谱效率方法

  c. Ultra-WideBand UWB 超宽带通信

  （2） 无线电传输 RF Radio Frequency
  在VLF、LF、MF波段，无线电沿着地面传播

  （3）微波传输 红外传输 光通信

• 数字调制与多路复用

  1. 比特与代表它们的信号之间的转换过程称为 数字调制 digital modulation

  2. 基带传输 baseband transmission

     信号的传输占有传输介质上从0到最大值之间的全部频率

  3. 通带传输 passband transmission

     信号占据了以波载信号频率为中心的一段频带

  4. 多路复用 multiplexing

     用单根线缆传送几个信号（信道被多个信号共享）

• 基带传输 Baseband Transmission

  对于光纤而言，有光为1，无光为0，称为 不归零NRZ Non-return-to-zero

  • 带宽效率 Bandwidth Efficiency

    利用有限带宽的一种更有效的策略是使用两个以上的信号级别。

    ex.采用4个电压级别，我们可以用单个 符号 一次携带2 bits。

    我们把信号改变的速率称为 符号率symbol rate，较早称为 波特率 baud rate，符号率=比特率*每个符号的比特值

  • 时钟恢复 Clock Recovery

    对于所有将数据比特编码到符号的方案，接收器必须知道何时一个符号结束和下一个符号开始，才能对正确信号进行采样。

    有一种clever的方法是将数据信号和时钟信号异或混合在一起，而不是用额外的一根线来传输时钟，这种编码方案叫做 曼切斯特编码 Manchester Encoding，主要用于经典以太网。

    对接收器而言，如果有频繁的信号转换，就很容易与incoming stream of symbols保持同步。

    —>于是我们把编码简化为1为有跳变，0无，这种编码叫 NRZI 不归零逆转。

    —>这种方法会导致发送很多0，为了解决这一问题有个著名的编码方式叫 4B 5B-这种编码方式是把4位的比特值通过一张表映射为一个5位的codeword，使其不会出现三个连续的0

  • 平衡信号 Balanced Signals

    定义：在很短时间内正电压(positive voltage)与负电压(negative voltage)一样多的信号称为平衡信号。

• 通带传输 Passband Transmission

  数字调制 Digital Modulation

  数字调制借助通带传输完成，即针对通带内的波载信号进行调节或调制。

  我们可以调制 amplitude振幅、frequency频率、phase相位。

  针对每种调制方法都有一个对应名称：

  • ASK Amplitude Shift Keying 幅移键控

    采用两个不同的振幅表示0和1

  • FSK Frequency Shift Keying 频移键控

    采用两个或多个不同的频率

  • BPSK Binary Phase Shift Keying 二进制相移键控

    系统把载波波形偏移0-180 degrees

    我们可以把上述方法综合起来使用，如 QAM-16 使用了振幅和相位的16种组合。

  QAM Quadrature Amplitude Modulation 正交调幅

• 频分复用FDM Frequency Division Multiplexing

  利用通带传输的优势使多个用户共享一个信道。

  FDM && OFDM（正交频分复用）

• 时分复用TDM Time Division Multiplexing

  似乎看起来不是一个重点

• 码分复用CDM Code Division Multiplexing

  码分复用是扩展频谱通信的一种形式，把一个窄带信号扩展到一个很宽的频带上。 （其实就是把传输的码通过各种办法加减乘除各自使用两个不同的数字来表示）

  这种方法能允许来自不同用户的多个信号共享相同的频带，因此它被称为 码分多址 CDMA Code Division Multiple Access

• 波分多路复用WDM Wavelength Division Multiplexing

  和TDM一样，都利用了光纤通道的巨大带宽

• 执行数字比特流和模拟信号流之间转换的设备称为 调制解调器modem

• 交换 switching

  电路交换就是收到呼叫请求后电话系统的交换设备就会寻找一条物理路径通过去。

  包交换是把包送到对应路径上