计算机网络学习笔记(二)-- 物理层

计算机网络学习笔记(一)-- 计算机网络概述
计算机网络学习笔记(三)-- 数据链路层
计算机网络学习笔记(四)-- 网络层
计算机网络学习笔记(五)-- 运输层

1. 物理层特性

  • 机械特性
  • 电气特性
  • 功能特性
  • 规程特性

2. 数据通信基础知识

  1. 数据通信系统模型

    • 数据通信系统三部分:源系统(发送端)、传输系统、目的系统(接收端)

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    • 模拟信号:连续信号,表示消息的参数取值是连续的。

    • 数字信号:离散信号,表示消息的参数取值是离散的。

  2. 信道

    • 按照通信双方信息交互的方式分为:单工通信半双工通信全双工通信
    • 曼切斯特编码产生的信号频率比不归零制高。不归零制没有自同步能力,曼切斯特编码具有自同步能力。
    • 基带信号:来自信源的信号.计算机输出的代表各种文字或图像文件的数据信号都属于基带信号。包含有较多低频成分,需要进行调制。
      调制分为:
      • 基带调制:对基带信号波形进行变换,仍然是基带信号
      • 带通调制:经过载波进行调制,把基带信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输。经过载波调制后的信号称为带通信号。基本的带通调制方法有:
      • 调幅AM:载波的振幅随基带数字信号而变化。
      • 调频FM:载波的频率随基带数字信号而变化。
      • 调相PM:载波的初始相位随基带数字信号而变化。
      • 正交振幅调制QAM:多元制的振幅相位混合调制方法,信息传输速率更高。
    • 调制解调原因

    无线电通信系统:通过空间辐射方式传送信号。
    电磁波理论可知:天线尺寸为被辐射信号波长的十分之一或更大些,信号才能有效的被辐射。
    对于语音信号:天线尺寸需要在几十公里以上,因此需要调制(语音信号的频率范围为300~3400Hz)。
    调制过程:将信号频谱搬移到任何所需的较高频率范围,这就容易以电磁波形式辐射出去。
    如果不进行调制,而是把被传送的信号直接辐射出去,那么各电台所发出的信号频率就会相同,他们混在一起,收信者将无法选择所要接收的信号。
    调制作用的实质:把各种信号的频谱搬移,使它们互不重叠地占据不同的频率范围,即信号分别托付于不同频率的载波上,接收机可以分离出所需要的频率的信号,不致相互干扰。(实现了多路复用)

  3. 信道极限容量

    • 码元传输的速率越高,或者信号传输的距离越远,或噪声干扰越大,或传输媒体质量越差,在接收端的波形失真就越严重。

    • 限制码元在信道上的传输速率的因素有:

      1. 信道能够通过的频率范围
        奈氏准则:在任何信道中,码元传输的速率是由上限的,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成为不可能。
      2. 信噪比:信号的平均功率和噪声的平均功率之比(S/N)单位dB
        信噪比(dB)=10log10(S/N)(dB)
        信道的极限信息传输速率C=Wlog2(1+S/N) (b/s)

      可以看出: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。

    • 提高信息的传输速率:尽可能的让每一个码元携带更多信息量。

3. 物理层下的传输媒体

  • 导向传输媒体:固体媒体(铜线或光纤)。双绞线、同轴电缆、光纤。
  • 非导向传输媒体:指利用无线电波在自由空间传播。

4. 信道复用技术

  1. 频分、时分、统计时分复用

    • 频分复用FDM:所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源。

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    • 时分复用TDM:所有用户在不同的时间占用同样的频带宽度。

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      TDM有时会造成信道利用率不高:

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    • 统计时分复用STDM:TDM的改进,提高信道利用率。

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  2. 波分复用

    • 波分复用WDM:即光的频分复用。
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经过复用器合波后,速率达到8 x 2.5Gbit/s = 20Gbit/s。

  1. 码分复用

    • 码分复用CDM:即码分多址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。

      为每个用户分配 m bit 的码片,并且所有的码片正交,对于任意两个码片 S (S站的码片向量) 和 T (T站的码片向量) 有

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      为了方便,取 m=8,设码片 S 为 00011011。在拥有该码片的用户发送比特 1 时就发送该码片,发送比特 0 时就发送该码片的反码 11100100。

      在计算时将 00011011 记作 (-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1),可以得到

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      其中 S' 为 S 的反码。

      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。

      利用上面的式子我们知道,当接收端使用码片 S 对接收到的数据进行内积运算时,结果为 0 的是其它用户发送的数据,结果为 1 的是用户发送的比特 1,结果为 -1 的是用户发送的比特 0。

      码分复用需要发送的数据量为原先的 m 倍。

5. 宽带接入技术

  1. xDSL技术:用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造,使它能够承载宽带业务。

    其中,0-4kHz低端频谱留给传统电话使用,高端频谱留给用户上网使用。几种类型:ADSL/HDSL/SDSL/VDSL

    • ADSL技术:非对称数字用户线。ADSL把上行和下行带宽做成不对称的。上行指从用户到ISP,下行指从ISP到用户。用户线两端是调制解调器(DMT).
      DMT调制技术采用频分复用。40kHz-1.1MHz的高端频谱划分许多子信道,25个用于上行,249个用于下行。每个信道占据4kHz带宽。ADSL不能保证固定的数据率。
    • 基于ADSL的接入网组成:
      • 数字用户线接入复用器DSLAM(包含许多ADSL调制解调器,记为ATU-C和ATU-R)
      • 用户线
      • 用户家的设施
      • 总结:ADSL是借助于在用户线两端安装ADSL调制解调器(即ATU-R和ATU-C)对数字信号进行调制,使得调制后的数字信号的频谱适合在原来的用线上传输。
    • 光纤同轴混合网(HFC网)
      HFC网是目前覆盖面很广的有线电视网CATV的基础上开发的一种居民带宽接入网。
      • 功能:传送CATV、电话业务、数据和其他宽带交互型业务。
      • 特点:
        1. HFC网的主干线路采用光纤
        2. HFC网采用结点体系结构:从头端到各个光纤结点用模拟光纤连接,构成星型网。
        3. HFC网具有比CATV网更宽的频谱,且具有双向传输功能
        4. 每个家庭要安装一个用户接口盒,其提供三种连接:使用同轴电缆连接到机顶盒再连接到用户的电视机;使用双绞线连接到用户的电话机;使用电缆调制解调器连接到用户的计算机。
  2. FTTx技术(光纤到…)

    • 光纤到户FTTH:即将光纤一直铺设到用户家庭。
    • 光纤到大楼FTTB:支持大中型企业、大公司高速率宽带业务需求,比FTTH经济。
    • 光纤到路边FTTC:比较流行。