【计算机网络】南航计算机网络第二章物理层

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于 2022-05-22 02:00:30 首次发布

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本文深入解析了计算机网络物理层，包括基本概念、数据通信模型、通信方式、调制技术（如QAM）、信道限制及香农公式。讲解了传输媒体分类、信道复用（频分、时分、码分）及其在ADSL、SONET和宽带接入的应用。

物理层考虑的是怎么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。

物理层的作用正是要尽可能地屏蔽掉这些传输媒体和通信手段的差异，使物理层上面的数据链路层感觉不到这种差异，这样就使数据链路层只需要考虑如何完成本层的协议与服务，而不必考虑网络具体传输媒体和通信手段是什么。

物理层的主要任务为确定与传输媒体的接口有关的一些特性：

数据在计算机内部采用并行传输方式，数据在通信链路（传输媒体）上的传输方式一般都是串行传输。

一个数据通信系统可划分为三部分

码元——在使用时间域(时域)的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。（使⽤⼆进制编码时，只有两种不同的码元，⼀种代表0状态，而另⼀种代表1状态）

调制的原因：
- 计算机输出的数据信号都是基带信号，包含较多的低频成分或直流成分，许多信道不能传输
调制的种类
- 基带调制：变换后的信号仍然是基带信号，即把数据信号转换为另一种形式的数字信号——编码
- 带通调制：把基带信号的频率范围搬移到较高的频段，转换为模拟信号。

不归零制没有自同步能力（不能从信号波形本身中提取信号时钟频率），曼切斯特编码具有自同步能力

为了达到更⾼的信息传输速率，必须采用技术上更为复杂的多元制的振幅相位混合调制方法。例如正交振幅调制。

调制解调器的工作原理：

通过调制解调器，发送方将生成的数字比特流编码后方可在传输系统中进行传输；把包含较多低频分量、直流分量的基带信号调制成统一的，能够编码的信号；通过调制，使一个码元可以携带多比特数据。
通过调制解调器，接收方把来自传输线路上的模拟信号进行解调，提取出在发送端置入的消息，还原出发送端产生的数字比特流。

限制码元在信道上的传输速率的因素：
- 信道能够通过的频率范围
  - 许多高频分量不能通过，在接收端收到的信号波形就失去了码元之间的清晰界限——码间串扰。
  - ==奈式准测：==在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，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（识别）成为不可能
  $C=2W\log_2^{M}$
  
  其中， $M$ 为信号状态数量， $W$ 为信道带宽
  - 信道的频带越宽，即能够通过的高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不会出现码间串扰
- 信噪比
  - 信号的平均功率和噪声的平均功率之比
    $\frac{S}{N}$
  $10\space \log_{10} ^{(S/N)}(dB)$
香农公式（是否可以通过不断提高M来增加信道容量？）
- 信道的极限信息传输速率 $C$ 是
  $C = W \log_{2}^{(1+S/N)}(bit/s)$
  $W$ 为信道的带宽(Hz)
- 香农公式表明：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
- 香农公式指出了信息传输速率的上限
- 香农公式的意义：只要信息传输速率低于信道的极限信息传输速率，就⼀定存在某种办法来实现无差错的传输。

它允许用户使用⼀个共享信道进行通信，降低成本，提高利用率。

常用的名词是码分多址 CDMA (Code Division Multiple Access)，用于无线广播信道中，如蜂窝、卫星。

每一个比特时间划分为 m 个短的间隔，称为码片 (chip)。
每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。
⼀个站如果要发送比特1，则发送它自己的m bit码片序列。如果要发送比特0，则发送该码片序列的二进制反码。例如指派给S站的8bit码⽚序列是00011011。当S要发送比特1时，它就发送00011011，当S要发送比特0时，它就发送11100100。为了方便按照惯例将码⽚中的0写为-1，将1写为+1。因此S站的码片序列是（-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1）。