【复习408】计网信道与码分多址

1. 物理层信道的定义与核心功能

物理层信道是计算机网络OSI模型的最底层（第1层），负责在传输介质上实现原始比特流的透明传输。其核心功能包括：

• 比特流转换：将数据链路层交付的数字比特流转换为物理信号（电、光或电磁波形式），并通过介质传输。
• 接口规范定义：规定机械特性（如连接器形状）、电气特性（电压水平）、功能特性（引脚用途）和过程特性（传输控制协议）。
• 传输介质管理：建立、维护和拆除物理连接，支持单工、半双工和全双工通信模式。
• 性能优化：通过调制、编码等技术应对噪声、衰减和干扰，确保传输可靠性与效率。

物理层信道是网络通信的物理基础，其设计直接影响上层协议的性能边界。

2. 物理层信道的分类与特征

2.1 按传输介质分类

类型	典型介质	优势	劣势
有线信道	双绞线、同轴电缆、光纤	高带宽、低误码率、抗干扰强	部署成本高、灵活性差
无线信道	电磁波（微波、太赫兹）	移动性强、覆盖范围广	易受环境干扰、带宽受限

2.2 按信号类型分类

• 模拟信道：传输连续模拟信号，适用于语音通信。
• 数字信道：传输离散数字信号，支持纠错编码，可靠性更高。

2.3 按通信方式分类

• 单向（单工）‍ ：信号单向传输（如广播）。
• 半双工：双向交替传输（如对讲机）。
• 全双工：双向同时传输（如以太网）。

2.4 信道模型分类

• 广义信道：包含传输介质及所有信号处理单元。
• 狭义信道：仅指传输介质本身。
• 恒参信道：特性基本恒定（如光纤）。
• 随参信道：特性动态变化（如无线移动信道）。

3. 物理层信道的工作原理

3.1 信号处理链路：从比特到波形

物理层信道的信号处理分为发送端和接收端两个阶段：

发送端流程

1. 数据流接收：从数据链路层获取比特流。
2. 信道编码：添加冗余位（如CRC、Turbo码）以实现错误检测与纠正。
3. 线路编码：
   • 目标：平衡直流分量、支持时钟恢复（如曼彻斯特编码、4B/5B编码）。
   • 示例：100BASE-TX使用4B/5B+MLT-3编码，1000BASE-X使用8B/10B编码。
4. 调制与脉冲成形：

• 调制：将数字比特映射到载波参数（幅度/频率/相位），如QAM、OFDM。
• 脉冲成形：限制信号带宽，减少码间串扰（ISI）。

5. 多路复用：通过FDM、TDM或WDM共享信道资源。
6. 数模转换（DAC）‍：生成模拟信号并通过介质发送。

接收端流程

1. 信号接收与下变频：将模拟信号转换为基带信号 。
2. 时钟恢复与同步：
   • 从信号中提取时钟频率（如锁相环PLL）。
   • 解决符号边界对齐问题（避免NRZ长串0/1的判决错误）。
3. 解调与解码：恢复比特流，利用冗余位纠错。
4. 数据交付：向上层传递恢复的比特流。

3.2 噪声与干扰的影响机制

噪声是信号传输的主要干扰源，其影响机制包括：

• 判决错误：噪声叠加导致接收端误判比特（如1→0）。
• 信号失真：改变信号波形，降低信噪比（SNR）。
• 来源分类：
  • 热噪声：电子热运动引起（高斯分布）。
  • 脉冲噪声：突发性干扰（如电力线浪涌）。
• 串扰：相邻信道耦合干扰。
• 抑制方法：提高信号功率、使用屏蔽介质、应用纠错编码。

4. 物理层信道的数学模型

4.1 基带与通带模型

基带模型：直接传输数字信号（如双绞线以太网），数学表达式为：

其中$x(t)$为发送信号，$h(t)$为信道冲激响应，$\eta (t)$为噪声。

4.2 信道容量与SNR

香农公式：定义信道极限容量 $C$：

$B$为带宽，SNR为信噪比。

• SNR计算：信号功率与噪声功率的比值。

5.码分复用（码分多址）

码分复用（CDM），更常见的叫法是码分多址（CDMA），是一种允许多个用户在同一时间、同一频率上共享信道进行通信的多路复用技术。其核心思想不是划分时间或频率，而是通过为每个用户分配一个唯一的、相互正交的码型来区分不同用户的信号。

5.1 核心概念与工作原理

1. 码片序列 (Chip Sequence):

   • 这是CDMA的基石。每个用户（或站点）会被分配一个独一无二的二进制码片序列，例如一个由8位码片（chip）组成的序列：00011011（或用双极性码表示为 -1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）。
   • 该序列必须满足正交性。数学上，任意两个不同站的码片序列的规格化内积（Normalized Inner Product）为0，而任何一个码片序列与自身的规格化内积为1。
     • 公式表示为：对于两个不同的码片序列 S 和 T，有
       
       而
       
       (编辑器对公式好像不太友好，只能用wps先把公式敲出来了😣)
   • 这种正交性确保了不同用户的信号在混合后仍能被有效分离。

2. 发送原理：扩频 (Spreading):

   • 当某个站要发送二进制比特 1 时，它并不直接发送一个简单的“1”信号，而是直接发送其整个码片序列（例如 00011011）。
   • 当要发送二进制比特 0 时，则发送其码片序列的二进制反码（例如 11100100）。
   • 这个过程被称为扩频。它将1个原始数据比特“扩展”成了由m个码片组成的更长的序列，因此占据了更宽的带宽。

3. 信道中的信号混合:

   • 所有用户的扩频信号在同一时间、同一频带上线性叠加后进行传输。在接收端，收到的就是这个所有信号的混合体。

4. 接收原理：解扩 (Despreading) 与相关检测:

   • 接收方若要提取特定用户（例如S站）发送的数据，它会将收到的混合信号与S站特有的码片序列进行规格化内积运算。
   • 计算结果的物理意义：
     • 结果为 +1：表示S站发送了比特 1。
     • 结果为 -1：表示S站发送了比特 0。
     • 结果为 0：表示S站没有发送数据，或者这个信号是其他站的信号（因其码片序列与S站正交，在计算中被过滤掉了）。
   • 通过这种相关运算，接收端可以从混合信号中准确地“提取”出目标用户的信息，而将其他用户的信号当作噪声抑制掉。

5.2 如何使用码分复用技术

码分复用技术的使用主要体现在系统设计和信号处理流程中：

1. 系统初始化与码分配：

   • 在网络建立初期，系统（如基站）会为每个注册用户分配一个唯一的正交码片序列（也称为地址码或扩频码）。这些码序列的生成和管理是CDMA系统的核心。

2. 发送端的使用：

   • 用户设备（如手机）将需要发送的 原始数据比特流（0和1） 与分配到的码片序列进行调制。
   • 具体操作如原理所述：比特1对应正码，比特0对应反码。这个过程在专用集成电路（ASIC）或数字信号处理器（DSP）中实时完成。

3. 在共享信道中的传输：

   • 所有经过调制的用户信号同时在同一个频率信道中发射。它们在空中相互叠加，但凭借码的正交性，在数学上是可分离的。

4. 接收端的使用：

   • 接收设备（如手机或基站）已知目标发送方的码片序列。
   • 它持续接收混合信号，并利用相关器（Correlator） 执行内积运算，实时地解扩出目标信号，恢复出原始的数据比特流。