【CH2】计算机网络物理层

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于 2024-12-01 23:06:54 首次发布

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【CH2】计算机网络物理层

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【CH2】计算机网络物理层

物理层的基本概念

物理层考虑的是怎样才能在连接各种计算机的传输媒体上传输数据比特流，而不是指具体的传输媒体。
作用：尽可能屏蔽掉不同传输媒体和通信手段的差异。
用于物理层的协议也常称为物理层规程 (procedure)。

数据通信的基础知识

数据通信系统的模型

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有关信道的几个基本概念

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(1) 常用编码方式

不归零制: 正电平代表 1，负电平代表 0。
归零制: 正脉冲代表 1，负脉冲代表 0。
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。
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，而位开始边界没有跳变代表 1。

(2) 基本的带通调制方法

基带信号往往包含有较多的低频成分，甚至有直流成分，而许多信道并不能传输这种低频分量或直流分量。
必须对基带信号进行调制 (modulation)。
最基本的调制方法有以下几种：

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。

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正交振幅调制 QAM

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信道的极限容量

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任何实际的信道都不是理想的，都不可能以任意高的速率进行传送。
码元传输的速率越高，或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，在接收端的波形的失真就越严重。
限制码元在信道上的传输速率的两个因素：
- 信道能够通过的频率范围。
- 信噪比。

信道带宽限制与奈氏准则

信道频率限制

具体的信道所能通过的频率范围总是有限的
信号中的许多高频分量往往不能通过信道

码间串扰现象

定义：接收端收到的信号波形失去了码元之间的清晰界限
这种现象会导致接收端无法正确识别码元

奈氏准则

公式：码元传输的最高速率 = 2W (码元/秒)
- 其中W为信道的带宽，单位为Hz

奈氏准则详细说明

在带宽为 W (Hz) 的理想低通信道中：

在不考虑噪声影响的情况下，码元传输的最高速率是 2W (码元/秒)
如果传输速率超过此上限，就会出现严重的码间串扰问题
码间串扰会导致接收端对码元的判决（识别）变得不可能

注：这个准则给出了在理想条件下，信道的极限传输速率，是数据通信中的基础理论之一

信噪比

信噪比是信号的平均功率和噪声的平均功率之比。常记为 S/N，并用分贝（dB）作为度量单位。即：

信噪比 (dB) = 10 log₁₀(S/N) (dB)
例如：
- 当 S/N = 10 时，信噪比为 10 dB。
- 当 S/N = 1000 时，信噪比为 30 dB。

香农公式

信道的极限信息传输速率 C 可表达为：

C = W log₂(1 + S/N) (bit/s)

其中：
- W：信道的带宽（Hz）；
- 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。

结论：

信道的带宽或信道中的信噪比越大，则信息的极限传输速率就越高。
只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就一定可以找到某种方法来实现无差错的传输。

提高信息的传输速率的方法

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奈氏准则和香农公式的意义不同

奈氏准则：激励工程人员不断探索更加先进的编码技术，使每一个码元携带更多比特的信息量。
香农公式：告诫工程人员，在实际有噪声的信道上，不论采用多么复杂的编码技术，都不可能突破信息传输速率的绝对极限。

物理层下面的传输媒体

导引型传输媒体

非导引型传输媒体

这里内容较为简单，可自行进行了解，参见物理层下的传输媒介。

信道复用技术

什么是复用

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频分复用、时分复用和统计时分复用

这一小章节我认为比较重要，可以观看讲解视频，参见信道复用技术。

1. 频分复用 (FDM)

频分复用是一种将可用带宽分成多个频段,每个用户占用一个独立频段的复用技术。

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工作原理

将整个频带划分为多个频段
每个用户占用固定的频带资源
用户信号经过调制后在各自频段内传输
接收端通过带通滤波器分离各个信号

优缺点

优点:

技术成熟,实现简单
各用户互不干扰
实时性好

缺点:

频带利用率低
对信道的频率特性要求高
存在跨话干扰

2. 时分复用 (TDM)

时分复用是在时间上将信道划分为多个时隙,每个用户在所分配的时隙内独占信道。

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工作原理

将时间划分为等长的帧
每帧包含固定数量的时隙
每个用户占用固定的时隙位置
在各自时隙内传输数据

优缺点

优点:

充分利用带宽资源
技术成熟,实现简单
无需频带保护

缺点:

存在同步开销
时延较大
信道利用率不高

3. 统计时分复用 (STDM)

统计时分复用是对TDM的改进,根据用户实际需求动态分配时隙资源。

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工作原理

动态分配时隙资源
有数据的用户才占用时隙
帧长度可变
需要地址标识区分用户

优缺点

优点:

信道利用率高
适应突发业务
服务质量好

缺点:

实现复杂
需要缓存队列
可能存在拥塞

三种复用技术对比

特性	FDM	TDM	STDM
资源分配	固定频段	固定时隙	动态时隙
实现复杂度	简单	中等	复杂
信道利用率	低	中	高
同步要求	不需要	严格	严格
适用场景	连续业务	周期业务	突发业务

波分复用

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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)。