计算机网络——第6章-物理层

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6.1 物理层的基本概念

物理层的任务：完成不同传输媒体的比特流传输

实现途径：

• 物理特性：机械、电器、功能、过程特性。
• 编码：码元的概念
• 传输技术

6.2 物理层下面的传输媒体

6.2.1 引导型传输媒体

同轴电缆

双绞线

光纤

原理：

分类：

电力线

6.2.2 非引导型传输媒体

无线电波

微波

红外线

6.3 传输方式（信道）

6.3.1 信道的概念

6.3.1 串行和并行

6.3.2 同步和异步

6.3.3 单工、半双工和全双工

6.4 编码与调制

6.4.1 概念

6.4.2 常用编码

• 不归零编码不纯在0电位，只有高电位和低电位，无法判断每个码元的位置，需要额外的同步时钟信号。
• 归零编码在每次码元结束时都会回归到0电位，以此实现自同步的效果，但是编码利用效率低。

• 曼彻斯特编码：位周期中心的向上跳变代表 0，位周期中心的向下跳变代表 1。但也可反过来定义。用10代表1，01代表0，实现扩频，10Mbps到20mbps。
• 差分曼彻斯特编码：在每一位的中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表 0，位开始边界没有跳变代表 1。问：最开始的时候怎么判断有无跳变？ 答：最开始的时候按照曼切斯特编码识别。
• 曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码具有自同步能力。

6.4.3 基本调制方法

6.5 信道的极限容量

6.5.1 信号失真

6.5.2 奈氏准则

6.5.3 香农公式

6.5.4 习题

6.6 信道复用技术

6.6.1 频分复用、时分复用和统计时分复用

复用 (multiplexing) ：允许用户使用一个共享信道进行通信。物理层上复用技术是将多路信号组合在一条物理信道上进行传输。

频分复用 FDM (Frequency Division Multiplexing)：

最基本的复用技术，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。所有用户在同样的时间占用不同的带宽（即频带）资源。

时分复用 TDM (Time Division Multiplexing)

将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM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。每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是TDM帧的长度）的。TDM 信号也称为等时 (isochronous) 信号。所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

时分复用会导致信道利用率不高，当用户暂时无数据发送时，分配给该用户的时隙只能处于空闲状态。

在进行通信时，复用器(multiplexer)总是和分用器(demultiplexer) 成对地使用。在复用器和分用器之间是用户共享的高速信道。分用器的作用正好和复用器相反，它把高速信道传送过来的数据进行分用，分别送交到相应的用户。

频分多址与时分多址

可让 N 个用户各使用一个频带，或让更多的用户轮流使用这 N 个频带。这种方式称为频分多址接入 FDMA (Frequency Division Multiple Access)，简称为频分多址。可让 N 个用户各使用一个时隙，或让更多的用户轮流使用这 N 个时隙。这种方式称为时分多址接入 TDMA (Time Division Multiple Access)，简称为时分多址。

统计时分复用 STDM (Statistic TDM)

6.6.2 波分复用 WDM (Wavelength Division Multiplexing)

波分复用 ：光的频分复用。使用一根光纤来同时传输多个光载波信号。

6.6.3 码分复用

每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信。

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此不会造成干扰。

当码分复用 CDM (Code Division Multiplexing) 信道为多个不同地址的用户所共享时，就称为码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)。

原理：

将每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。为每个站指派一个唯一的 m bit 码片序列。

• 发送比特 1：发送自己的 m bit 码片序列。
• 发送比特 0：发送该码片序列的二进制反码。

例如：S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。

• 1 ： 00011011
• 0 ：

习惯上，用+1代表1，-1代表0，如：码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

码片序列实现了扩频：

要发送信息的数据率 = b bit/s，实际发送的数据率 = mb bit/s，同时，所占用频带宽度也提高到原来的 m 倍。

扩频通常有 2 大类：

• 直接序列扩频 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 。
• 跳频扩频 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum)。

CDMA的数学特性：

个人理解：

CDMA要实现多用户同时使用同样的频带进行通信，最重要的就是如何区分不同用户的信号，由于信号是会叠加的，如果有多台设备同时发送信号，则接收器收到的信号必然是多台设备发送信号的叠加态。接收器如何实现信号的剥离？就是依靠码片序列。码片序列就像是每个设备的身份证号，是唯一的。并且，不同设备的码片序列的规格化内积为0，这是非常重要的特性。前面我们知道，接收器收到的信号时多台设备的叠加，假设有AB两台设备分别发出了一个比特信号A(+1,+1,+1,-1,+1,-1,+1,-1)，B(+1,+1,-1,-1,+1,+1,-1,-1)，则接收器收到的信号就是(+2,+2,0,-2,+2,0,0,-2)。假设A的码片序列（身份证号）为(+1,+1,+1,-1,+1,-1,+1,-1)，B的码片序列为(-1,-1,+1,+1,-1,-1,+1,+1)，则接收器如果要接受A的信号，则用A的码片序列进行规格化内积，得到的是1，说明收到的是比特1，如果接受B的信号，则用B的码片序列进行规格化内积，得到-1，说明是比特0。此时，如果还有一个设备C的码片序列，进行规格化内积得到的一定为0,（见CDMA的数学特性1），说明没有C设备发送的信号。可以说是非常巧妙了！

6.6 小结

6.7 相关习题