计网笔记#2：物理层

基本概念

特性：机械特性（接口所用接线器的形状、尺寸、阴线数目和排列、固定和锁定装置等）、电气特性（在接口电缆的各条线上出现的电压的范围）、功能特性（某条线上出现的某一电平的电压表示的意义）、过程特性（不同功能的各种可能事件的出现顺序）
术语：数据（运送消息的实体）、信号（数据的电气或电磁的表现）、模拟的（代表消息的参数的取值是连续的）、数字的（代表消息的参数取值是离散的）、码元（时域上的基本波形）
单工通信（单向通信）、半双工通信（双向交替通信）、全双工通信（双向同时通信）
基带信号（基本频带信号：来自信源的信号，比如输出的各种文字图像信号）。然而基带信号包含较多低频甚至直流成分，许多信道不能传输这些成分，所以需要调制成 带通信号 。即把频率范围搬移到较高的频段后的信号。

数据通信的基础知识

基本的二元调制方法：调幅、调频、调相
每个码元可表示的比特数越多，在接收端进行调解时要正确识别每一种状态就越困难

信道的极限容量

码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道输出端的波形失真就越严重。在信道中，码元传输的速率有上限，否则会出现 码间串扰 的问题，使接收端无法识别。信道的 频带越宽 ，能够通过的 高频分量 就越多，那就可以用更高的速率传输而不出现码间串扰。

香农公式 ： C = W log( 1 + S / N ) ，其中C（b/s）为信道的极限信息传输速率，W（Hz）为信道带宽，S为信道内所传信号的平均功率，N为信道内部的高斯噪声功率。

👉信道的宽带或信道中的信噪比越大，信息的极限传输速率就越高。

👉低于极限传输速率的信息传输，一定有方法实现无差错传输。

👉只要W或信噪比S/N没有上限，C就可以没有上限（实际不可能实现）。

👉信道的实际信息传输速率小于香农极限传输速率。

👉可以用编码的方法让每个码元携带更多比特的信息量。

物理层下的传输媒体

导引型传输媒体
- 双绞线
  - 屏蔽双绞线STP
  - 无屏蔽双绞线UTP
- 同轴电缆
  - 50Ω同轴电缆
  - 75Ω同轴电缆
- 光缆
非导引型传输媒体
- 无线传输用的频段很广
- 短波通信主要靠电离层反射，但是通信质量较差
- 微波在空间中主要是直线传播

信道复用技术

频分复用、时分复用、统计时分复用

频分复用FDM

用户在同样的时间占用不同的频率带宽资源。

相当于一个频率就是一个固定的用户所用，这样只要接到这个频率的数据，就知道是这一个用户

时分复用TDM

将时间划分为等长的TDM帧，每个用户占用固定序号的时隙。对于每个用户，其时隙是周期性的，周期为TDM帧长。

但是如果某一个用户没有发送数据，就会使当前TDM帧的几个时隙被浪费，使得信道利用率不高👇

统计时分复用STDM

相当于把TDM的每个TDM帧进行压缩，去除没有被利用的时隙，这样提高了信道的利用率，但是需要额外传输每个时隙与用户的对应信息。TDM可以确定第一个用户是第一个时隙，但是STDM就不行。

波分复用WDM

波分复用就是对光的频分复用，每个波长（频率）传输不同用户的数据。

码分复用CDM

即码分多址CDMA
频谱类似于白噪声，不易被敌人发现
每个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片chip
每个站分配的码片序列各不相同，而且互相正交，在实用的系统中使用的是 伪随机码序列

工作原理

假设当前结点A的数据码元比特为 101 ，而要发送的数据为 0110 。

那么在发送前先进行一个编码的过程：对于发送的数据，当前比特位为1就发送当前码元比特，比特位为0就发送当前码元比特的补码。

比如对于这个例子，就编码成 010 101 101 010 。但是为了方便，一般将1记为+1，0记为-1，即 -1 +1 -1 +1 -1 +1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 。

而在接收端，只需要对接受到的数据与对应接收端的码元比特计算内积，由于内积的特性，内积结果为1就说明原序列的当前比特位为1，结果为-1就说明原序列的当前比特位为0。

在传输的过程中，可以直接将各个发送端发送的数据线性相加，由于在接收端解码时是通过内积，而各发送端的数据码元互相正交，所以线性相加不会对结果产生影响。