【计算机网络】合工大2025期末考点整理(3)

第三章 物理层

数据、信号和信息；信息的度量；带宽、码元及码元速率与信息速率的关系，误码率和误信率。

来自3.1.1节“概念和术语”。

• 数据

  事件的某些属性规范化后的表现形式，它能被识别，也可以被描述。

  • 模拟数据：可在某一区间内连续取值

  • 数字数据：可在某一区间内取有限个离散值

• 信号

  数据的具体表现形式，具有确定的物理描述。

  • 模拟信号：幅度随时间作连续变化

  • 数字信号：幅度随时间作不连续的、离散变化

• 信息

  事件中包含的有意义的内容。

  • 信息的度量

    信息量与事件出现的概率有关

    • 信息量是事件出现概率的函数

      $$I(x)=I[P(x)]={\log }_a\frac{1}{P(x)}=-{\log }_{a}P(x)$$

      其中：$I$是信息量， $P(x)$是事件$x$出现的概率。

      信息量的单位与底数$a$有关

      $$\{\begin{array}{ll}a=2,& 单位为比特（bit,b）\\ a=e,& 单位为奈特（nat,n）\\ a=10,& 单位为哈莱特\end{array}$$

    • 概率愈小，信息量愈大；反之，也成立。

      $$\{\begin{array}{ll}P=1,& I=0\\ P=0,& I=\infty \end{array}$$

    • 若干个互相独立事件构成的信息量等于各独立事件信息量的和。

      $$\begin{array}{rl}I& =[P_1(x),P_2(x),...,P_n(x)]\\ & =I[P_1(x)]+I[P_2(x)]+...+I[P_n(x)]\end{array}$$

• 带宽

  带宽是指物理信道的频带宽度，单位为赫兹（Hz）、千赫（kHz）和兆赫（MHz）

• 码元

  固定时间长度的信号波形，编码所需的时间长度称为码元宽度，一般用时间T表示。

  一个码元携带的信息量与进制有关。二进制码元只有两种波形（比如+5V脉冲表示1，-5V脉冲表示0）；四进制码元就需要用四种波形（如+5V表示00，+10V表示01，-5V表示10，-10V表示11）

• 码元传输速率

  信号传输速率，指每秒传送的码元数，单位是波特每秒（Baud），简记为B

  $$R_B=\frac{1}{T_b}$$

  码元速率与进制无关，为码元宽度的倒数。如：某系统可以每2秒传输4800个码元，则码元宽度为：1/2400秒。码元速率为：2400波特每秒。

• 信息传输速率

  单位时间内传输的信息量，通常用比特/秒(bit/s) ，简记为bps

• 码元速率与信息速率的关系

  $R_{bN}=R_{BN}\cdot {\log }_{2}N$，即：信息传输速率通常会大于码元传输速率。

  $R_{b2}=R_{B2}\cdot {\log }_{2}2=R_{B2}$，在二进制条件下，二者相等

• 误码率

  $$P_e=\frac{接收的错误码元数}{系统传输的总码元数}$$

• 误信率

  $$P_{ed}=\frac{系统传输中出错的比特数}{系统传输的总比特数}$$

数据传输方式，包括串行和并行、同步和异步、单工全双工和半双工。

来自3.1.3节“数据传输方式”。

• 串行与并行

  • 串行

    将待发送数据的各个比特位，按一定顺序依次发送

  • 并行

    将待发送数据的各个比特位使用多个信道同时发出

  • 特点对比

    	串行	并行
    通信信道	1条	多条并行
    码元传输速率		同传输速率下，是串行的n倍
    造价	低，应用于远程通信	高

• 同步与异步

  数据通信的一个基本要求是接收方必须知道接收的每一个比特位的开始时间和持续时间，这样才能正确的接收发送方发送来的数据。

  • 同步

    在数据块前加特殊模式的位组合，并通过位填充或字符填充技术，保证数据块中的数据不会与同步字符混淆。

    • 开销小、效率高

    • 适合较高的速率传输数据

    • 整个数据块有一位传错，就必须重传整个数据块的内容

  • 异步

    每个字节作为一个单元独立传输，字节之间的传输间隔任意。但是为了标志这一字节的开始和结尾，在这一字节之前加上1个起始位，在结尾处加上1-2位停止位。

    • 每个字符前后的起始和停止位标识字符的开始和结束

    • 起始和停止位兼作线路两端的同步时钟，不再需要额外的时钟

    • 字符间间隔任意

    • 速率较低，适合于误码率高但是数据速率要求低的线路

• 单工、半双工、全双工

  • 单工 ➡

    只允许数据在信道上的单向传输

  • 半双工 ➡or⬅

    数据信号可以在信道上双向传输，但同一时刻只允许单向传输

  • 全双工 🔄

    允许数据同时双向传输

信源编码及其过程，包括抽样（抽样定理及频率扩张）、量化（均匀和非均匀）、编码（量化级数与码字长度的关系）三阶段。

来自3.2.1节“信源编码”。

• 信源编码，也称为模拟数据编码，实质是模拟信号数字化的过程。

• 三阶段：

  • 抽样

    • 抽样定理：如果媒体传输的最大频率为f，那么接受方只要以2f次的频率进行采样，就能完整地重现原信号。

      

  • 量化

    量化是用有限位数的0、1数字序列表示被抽取的样值。量化的目的是将连续的无限多种可能的样值变为有限的取值，并相应的数字序列表示。

    m 个间隔就对应着 m 个可能的量化电平，m 就是量化电平数，也称作量化级数。

    根据划分的间隔是否相等，有两种量化方式：

    • 均匀量化

    • 非均匀量化

  • 编码

    编码的任务是将量化的结果按一定的码型转换成相应的二进制码组，获得能够在数字信道上传输的数字信号。

    将模拟信号的抽样量化值变为数字代码的过程称为脉冲编码调制 (Pulse Code Modulation，PCM)，传输PCM信号的系统，称为PCM系统。

    

    量化级数$m$与码字位数$k$的关系：$m=2^k$

    码型选择：自然二进制码、折叠二进制码、循环（格雷）码

信道编码及其类型，包括不归零编码、曼彻斯特编码、差分曼彻斯特编码。

来自3.2.2节“信道编码”。

数字信号在传输中由于各种原因，可能会在传送的数据流中产生误码。信道编码是对码流进行相应的处理，使系统具有一定的纠错能力、抗干扰能力。目的是提高可靠性。

• 非归零编码

  以高电平表示“0”，低电平表示“1”，反之亦然。

  

  • 编/译码简单

  • 内部不含时钟信号，收/发端同步困难

  • 用于计算机内部，低速数据通信场合

• 曼彻斯特编码

  每一位中间有一次跳变，既表示数据，又作为同步信号。从高电平跳变到低电平表示“0”，从低电平跳变到高电平表示“1”。

  

  • 内部含时钟，收/发端同步容易；抗干扰能力较强

  • 编/译码较复杂；占用更多的信道带宽，即在同样的波特率的情况下，要比非归零编码多占用一倍信道带宽

  • 用于802.3局域网（以太网）

• 差分曼彻斯特编码
  每一位中间也有一次跳变，但这种跳变仅作为同步信号，不表示数据。数据值通过每位开始时有无跳变来表示；有跳变表示“0”，无跳变表示“1”。

  

  • 内部含时钟，同步容易；比曼彻斯特编码有更好的抗干扰能力

  • 编/译码更复杂；同样需要多占用一倍信道带宽

数字调制，包括调幅调制、调频调制和调相调制。

来自3.2.3节“数字调制”。

数字调制：为使基带脉冲信号能够在模拟线路中传输，选择某一频率的正弦信号作为载体（载波），将脉冲数字信号对于载波进行调制，然后再通过电话线传送到接收端，接收端再将基带脉冲信号从载波中提取出来（解调）。

• 调幅（Amplitude shift Keying，ASK）

  用载波信号不同振幅表示数据, 振幅大表示“1”，振幅小表示“0”

  易受突发干扰，适合低速数据传输，典型为1200bps

• 调频（Frequency shift Keying，FSK）

  用载波信号不同频率表示数据,频率高表示“1”，频率低表示“0”

  抗干扰优于调幅方式，但频带利用率不高

• 调相（Phase shift Keying，PSK）

  用载波信号不同相位表示数据

  占用频带宽，抗干扰能力强，数据率高，可达9600bps

多路复用作用及分类，包括频分、时分（统计时分）、码分和波分等技术的基本原理、方法和特点。

来自3.3节“多路复用技术”。

• 作用

  将多路信号复用在一条信道上，使一条信道能够同时传输多路数据信号。

• 分类

  • 频分复用（Frequency Division Multiplexing,FDM）

    在频分多路复用中，信道的带宽被分成若干个互不重叠的频段，每路信号占用其中一个频段，因而在接收端可采用适当的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复出所需要的原始信号。

    特点

    • 所有参与频分复用的信号带宽之和必须小于信道总带宽，并且给相邻子信道间要有隔离信道

    • 所有参与频分复用的各路信号在分配的频率范围内并行传输，无需考虑时延

    • 参与复用的每个信号在全部时间内占用部分频率谱

    

  • 时分复用（Time Division Multiplexing,TDM）

    单路抽样信号在时间上离散的相邻脉冲间有很大空隙，在空隙中插入若干路其他抽样信号，只要使各路抽样信号在时间上不重叠并能区分开，那么一个信道就有可能同时传输多路信号，达到多路复用的目的。

    特点

    • 在TDM帧的宽度确定的情况下，可参与复用的信号数量取决于抽样的脉冲宽度，脉冲宽度越小，可参与的信号数量就越多

    • 参与复用的各路信号在各自的时隙中占用信道全部频率资源，各时隙间有保护时隙

    • 参与复用的各路信号的时隙预先规划且固定不变。若某结点在其时隙内无传输需求，该时隙只能空闲，不能分配给其他结点

    

  • 波分复用（Wavelength Division Multiplexing,WDM）

    波分复用本质上是光域的频分复用。WDM将两种或多种不同波长的光信号经复用器汇合在一起，并耦合到同一根光纤中进行传输。在接收端经分波器将各种波长的光进行分离，然后由光接收机相应的进一步处理恢复信号。

    

  • 码分复用（Code Division Multiplexing,CDM）

    码分复用将每个比特时间都划分为m个短时间片，称为码片（chip）。每个参与复用的用户都被分配一个m（128或64）位的码型，各码型之间成正交关系。某用户若要发“1”，则直接发出自己的码型；若要发“0”，则发自己码型的反码。每个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，各用户的码型相互正交，因此各用户之间不会造成干扰。在公共信道上这些不同的码型叠加在一起与信道白噪声相似，破译困难，安全性高。接收端以相应的码型对总码型进行规格化求积，若为1，则表明发送方发送了“1”；若为-1，则发送了“0”。

    特点

    • 参与复用的每路信号都能够在全部的时间内使用全部的带宽资源

    • 只要码片足够长，除非拥有相应的码型，否则无法从“白噪声”中获得有价值的信息

    

宽带接入技术及分类，包括用户数字线技术（ADSL），HFC技术、无线接入技术和FTTX技术等的基本概念和特点。

来自3.4节“宽带接入技术”。

• 用户数字线技术DSL(Digital Subscriber Line)

  是基于普通电话线的宽带接入技术，即利用数字技术对现有的模拟电话用户线进行改造，从而解决接入计算机网络的“最后一公里”问题。xDSL技术是特指一系列使用DSL思想的具体技术，如ADSL（Asymmetric DSL，非对称用户数字线)、HDSL (High speed DSL，高速数字用户线）、VDSL (Very high speed DSL，甚高速数字用户线）等。

• 光纤同轴混合网HFC(Hybrid Fiber Coax)

  是在覆盖面广泛的有线电视网 CATV 的基础上开发的一种面向居民的宽带接入网。

• 无线接入技术RIT(Radio Interface Technologies)

  通过无线介质将用户终端与网络结点连接起来，以实现用户与网络之间的信息交换。

  • 固定无线接入

  • 移动无线接入

• FTTx技术

  光纤到……是一种实现宽带居民接入网的方案。这里字母 x 可代表不同意思

  • 光纤到家 FTTH (Fiber To The Home)：光纤一直铺设到用户家庭可能是居民接入网最后的解决方法

  • 光纤到大楼 FTTB (Fiber To The Building)：光纤进入大楼后就转换为电信号，再用电缆或双绞线分配到各用户

  • 光纤到路边 FTTC (Fiber To The Curb)：从路边到各用户可使用星形结构双绞线作为传输媒体