呵呵哒学习笔记：《计算机网络》第二章 物理层_35=3*log2(1+s/n)

第二层 物理层

未学先之：

物理层的基本概念：物理层的主要任务描述为确定与传输媒体的接口的一些特性。即：①机械特性：指名接口所用接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。②电气特性：指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。③功能特性： 指明某条线上出现的某一电平的电压表示何种意义。④归程特性：指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

一个数据通信系统可划分为三大部分，即源系统（或者发送端，发送方）、传输系统（或者传输网络）和目的网络（或者接收端，接收方）

源系统包括源点和发送器：

源点：源点设备产生要传输的数据。

发送器：源点生成的数字比特流要通过发送器编码后才能够在传输系统中进行传输。典型的发送器就是调制器。源点又称为源站，或者信源。

 

目的系统包括接收器和终点

接收器：接受传输系统传送过来的信号，并把它转换成为能够被目的设备处理的信息。典型的接收器就是解调器。

终点：终点设备从接收器获取传送来的数字比特流，然后把信息输出。终点又称为目的站，或者信宿。

考试重点：

1.物理层的功能和提供的服务

物理层的功能:

①为数据端设备提供传送数据的通路，数据通路可以是一个物理媒体，也可以是多个物理媒体连接而成。一次完整的数据传输，包括激活物理连接，传送数据，终止物理连接。所谓激活，就是不管有多少物理媒体参与，都要在通信的两个数据终端设备间连接起来，形成一条通路。

②传输数据，物理层要形成适合数据传输需要的实体，为数据传送服务。一是要保证数据能在其上正确通过，二是要提供足够的带宽（带宽是指每秒钟内能通过的比特（BIT）数），以减少信道上的拥塞。

传输数据的方式能满足点到点，一点到多点，串行或并行，半双工或全双工，同步或异步传输的需要。

③完成物理层的一些管理工作。

物理层提供的服务：物理层的主要任务是实现通信双方的物理连接，以比特流(bits)的形式传送数据信息，并向数据链路层提供透明的传输服务。物理层是构成计算机网络的基础，所有的通信设备、主机都需要通过物理线路互联。物理层建立在传输介质的基础上，是系统和传输介质的物理接口，它是OSI模型的最低层。

 2. 信息、数据与信号等的概念

信息----指音讯、消息、通讯系统传输和处理的对象，泛指人类社会传播的一切内容。

数据（data）----运送消息的实体

信号（signal）----数据的电气的或者电磁的表现

码元(code)——在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

“模拟的”(analogous)——代表消息的参数的取值是连续的。

“数字的”(digital)——代表消息的参数的取值是离散的。

调制----把数字信号转换为模拟信号的过程

解调----把模拟信号转换为数字信号的过程

有关信道的基本概念

单向通信（单工通信）——只能有一个方向的通信而没有反方向的交互。

双向交替通信（半双工通信）——通信的双方都可以发送信息，但不能双方同时发送(当然也就不能同时接收)。

双向同时通信（全双工通信）——通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像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。

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。因此必须对基带信号进行调制(modulation)。   

带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输（即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

为了解决基带信号带有的低频分量或直流分量，就必须对基带信号进行调制(modulation)。

最基本的二元制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。  

对基带数字信号的几种调制方法：

3. 数据传输类型与通信方式

在物理层的传输介质中传输的信号分为两种：模拟信号，数字信号

家里的电话、有线电话就是用的是模拟信号，电脑上网就用的是数字信号。

调制和解调：

调制：将数字信号转换为模拟信号

解调：将模拟信号转换为数字信号

常用编码方式

①不归零制：正电平代表1，负电平代表0

②归零制：正脉冲代表1，负脉冲代表0

③曼切斯特编码（常用）：位周期中心的向上跳变代表0，向下跳变代表1.

④差分曼切斯特编码：在每一位中心处始终都有跳变。位开始边界有跳变代表0，没有跳变代表1.

光纤传输的是什么信号？

光纤只是一种传输介质，在光纤网络中即可以传输模拟信号也可以传输数字信号，实际传输的是什么信号是有两端的物理层设备决定的。

物理层数据传输方式：

物理层数据传输按照使用的信道数量可以分为串行通信和并行通信

串行通信：将一个字符的二进制代码按照从低位到高位顺序传输，传输中需要建立一个信道。

并行通信：将一个字符的二进制代码同时通过8条信道同时传输，每发送一个字符都建立8条信道，成本较高。

按照信号发送的方向和时间关系可以分为单工、半双工、全双工

单工通信：只能向一个方向发送信息，例如广播、电台、寻呼机

半双工通信：同一时刻只能有一个方向发送信息，例如对讲机

全双工通信：可以同时发送信息和接收信息，例如手机、电话

（4）传输介质的主要类型及其主要特点

导引型传输媒体：双绞线（屏蔽双绞线STP、无屏蔽双绞线UTP），同轴电缆（50Ω和75Ω同轴电缆）、光缆

非导引型传输媒体：无线传输、短波通信、微波

无线传输所使用的频段很广。

短波通信主要是靠电离层的反射，但短波信道的通信质量较差。

微波在空间主要是直线传播。 地面微波接力通信，卫星通信  

（5）宽带接入技术（有线宽带接入）

ADSL技术：非对称数字用户线ADSL技术是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数字业务。（只用电话线来完成网络传输）

ADSL 技术就把 0~4 kHz 低端频谱留给传统电话使用，而把原来没有被利用的高端频谱留给用户上网使用。

调制解调器有两个插口。较大的一个是RJ-45插口和PC机相连，较小的是RJ-11插口，用来和电话分离器相连。

DSL 的几种类型

ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line)：非对称数字用户线

HDSL (High speed DSL)：高速数字用户线

SDSL (Single-line DSL)：1 对线的数字用户线

VDSL (Very high speed DSL)：甚高速数字用户线

光纤同轴混合网（HF网）

FTTx技术（光纤到户）

（6）数字传输系统

由于早期的数字传输系统存在许多缺点：①速率标准码不统一②不是同步传输，所以提出了同步光纤网SONET

同步光纤网SONET：

光子层：处理跨越光缆的比特传送

段层：在光缆上传送STS-N帧

线路层：负责路径层的同步和复用

路径层：处理路径端设备PET

（7）数据传输率、码元率、信道容量（乃奎斯特定理、香农定理）并能进行简单计算

单位时间内传输的二进制信息位数是指  ：数据传输速率

单位时间内传输的码元个数是指码元（调制或信号传输）速率

码元传输率：任何实际的信道都不是理想的，在传输信号时会产生各种失真以及带来多种干扰。

在码元传输的速率越高，或信号传输的距离越远，在信道的输出端的波形的失真就越严重。

香农(Shannon)用信息论的理论推导出了带宽受限且有高斯白噪声干扰的信道的极限、无差错的信息传输速率。

信道的极限信息传输速率 C 可表达为

 

W 为信道的带宽（以 Hz 为单位）

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。

重点：提高信息传输速率的方法：①提高信道带宽②提高信噪比③提高每个码元携带的信息量

 

香农公式表明

①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。

②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办法来实现无差错的传输。

③若信道带宽 W 或信噪比 S/N 没有上限（当然实际信道不可能是这样的），则信道的极限信息传输速率 C 也就没有上限。

④实际信道上能够达到的信息传输速率要比香农的极限传输速率低不少。  

请注意 ：对于频带宽度已确定的信道，如果信噪比不能再提高了，并且码元传输速率也达到了上限值，那么还有办法提高信息的传输速率。这就是用编码的方法让每一个码元携带更多比特的信息量。

习题：用香农公式计算一下，假定信道带宽为3100HZ，最大信息传输速率为35kb/s，那么若想要使最大信息传输速率增加60%，请问信噪比S/N应该增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比S/N再增大到10倍，问最大信息传输速率能否再增加20%？

解析：

令X1=S/N

香农公式：C=Wlog2(1+S/N)

将“信道带宽为3100HZ，最大信息传输速率为35kbps”带入香农公式

35*1000=3100*log2(1+S/N)

=3100*log2(1+X1)

X1=

35*1000*(1+0.6)=3100*log2(1+X2)

X2=

   

 

（8）多路复用技术（频分、时分、波分）。

复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念。

频分复用 FDM（Frequency Division Multiplexing）：所有用户在同样的时间占用不同的带宽资源（请注意，这里的“带宽”是频率带宽而不是数据的发送速率）

 时分复用TDM（Time Division Multiplexing）：将时间划分为一段段等长的时分复用帧（TDM 帧）。每一个时分复用的用户在每一个 TDM 帧中占用固定序号的时隙。

每一个用户所占用的时隙是周期性地出现（其周期就是 TDM  帧的长度）。

TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。

时分复用的所有用户是在不同的时间占用同样的频带宽度。

波分复用WDM（Wavelength Division Multiplexing）：波分复用就是光的频分复用。

统计时分复用：不是固定分配时隙，而是按需动态地分配时隙。在每个时隙中还必须有用户的地址信息，是统计十分复用必须要有的和不可以避免的一些开销。

码分复用（CDMA）（保密设施）

各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此彼此不会干扰。这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片（chip）。

码片序列(chip sequence)

每个站被指派一个唯一的 m bit 码片序列。

如发送比特 1，则发送自己的 m bit 码片序列。

如发送比特 0，则发送该码片序列的二进制反码。

例如，S 站的 8 bit 码片序列是 00011011。

发送比特 1 时，就发送序列 00011011，

发送比特 0 时，就发送序列 11100100。

S 站的码片序列：(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)

每个站分配的码片序列不仅必须各不相同，并且还必须互相正交(orthogonal)。

在实用的系统中是使用伪随机码序列。

令向量 S 表示站 S 的码片向量，令 T 表示其他任何站的码片向量。

两个不同站的码片序列正交，就是向量 S 和T 的规格化内积(inner product)都是 0：

令向量 S 为(–1 –1 –1 +1 +1 –1 +1 +1)，向量 T 为(–1 –1 +1 –1 +1 +1 +1 –1)。

把向量 S 和 T 的各分量值代入式就可看出这两个码片序列是正交的。

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 。

一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是 –1。

例题：共有 4 个站进行码分多址通信。 4 个站的码片序列为

A：（－ 1－1－1＋1＋1－1＋1＋1） B：（－ 1－1＋1－1＋1＋1＋1－1）

C：（－ 1＋1－1＋1＋1＋1－1－1） D：（－ 1＋1－1－1－1－1＋1－1）

现收到这样的码片序列

S：（－ 1＋1－3＋1－1－3＋1＋1）。问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的是

0 还是 1？

解：

S·A=（＋ 1－1＋3＋1－1＋3＋1＋1）／ 8=1， A 发送 1

S·B=（＋ 1－1－3－1－1－3＋1－1）／ 8=－1， B 发送 0

S·C=（＋ 1＋1＋3＋1－1－3－1－1）／ 8=0， C 无发送

S·D=（＋ 1＋1＋3－1＋1＋3＋1－1）／ 8=1， D 发送 1

简答题：

1. 试给出数据通信系统的模型并说明其主要组成构建的作用。

源点：源点设备产生要传输的数据。源点又称为源站。

发送器：通常源点生成的数据要通过发送器编码后才能在传输系统中进行传输。

接收器：接收传输系 统传送过来的信号，并将其转换为能够被目的设备处理的信息。

终点：终点设备从接收器获取传送过 来的信息。终点又称为目的站传输系统：信号物理通道

2. 试解释以下名词：数据，信号，模拟数据，模拟信号，基带信号，带通信号，数字数据，数字信号， 码元，单工通信，半双工通信，全双工通信，串行传输，并行传输。

数据：是运送信息的实体。

信号：则是数据的电气的或电磁的表现。

模拟数据：运送信息的模拟信号。

模拟信号：连续变化的信号。

数字信号：取值为有限的几个离散值的信号。

数字数据：取值为不连续数值的数据。

码元(code)：在使用时间域（或简称为时域）的波形表示数字信号时，代表不同离散数值的基本波形。

单工通信：即只有一个方向的通信而没有反方向的交互。

半双工通信：即通信和双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接收）。这种通 信方式是一方发送另一方接收，过一段时间再反过来。

全双工通信：即通信的双方可以同时发送和接收信息。

基带信号（即基本频带信号）——来自信源的信号。像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。

带通信号——把基带信号经过载波调制后，把信号的频率范围搬移到较高的频段以便在信道中传输 （即仅在一段频率范围内能够通过信道）。

3. 物理层的接口有哪几个方面的特性？个包含些什么内容？

1. 机械特性  明接口所用的接线器的形状和尺寸、引线数目和排列、固定和锁定装置等等。
2. 电气特性  指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
3. 功能特性　指明某条线上出现的某一电平的电压表示何意。
4. 规程特性  说明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。

4.假定某信道受奈氏准则限制的最高码元速率为20000码元/秒。如果采用振幅调制，把码元的振幅划 分为16个不同等级来传送，那么可以获得多高的数据率（b/s）?

答：C=R*Log2（16）=20000b/s*4=80000b/s

5.假定要用3KHz带宽的电话信道传送64kb/s的数据（无差错传输），试问这个信道应具有多高的信 噪比（分别用比值和分贝来表示？这个结果说明什么问题？）

C=Wlog2（1+S/N）(b/s)

W=3KHz   C=64kb/s 带入可得信噪比S/N

6. 常用的传输媒体有哪几种？各有何特点？

导引型的传输媒体：双绞线：屏蔽双绞线STP 无屏蔽双绞线UTP

同轴电缆：（50Ω和75Ω）的同轴电缆

非导引型的传输媒体：短波通信/微波/无线通信

7.假定有一种双绞线的衰减是0.7dB/km(在 1 kHz时)，若容许有20dB的衰减，试问使用这种双绞线的链路的工作距离有多长？如果要双绞线的工作距离增大到100公里，试应当使衰减降低到多少？

解：使用这种双绞线的链路的工作距离为=20/0.7=28.6km

衰减应降低到20/100=0.2db

8.为什么要使用信道复用技术？常用的信道复用技术有哪些？

为了通过共享信道、最大限度提高信道利用率。频分、时分、码分、波分。

9. 码分多址CDMA为什么可以使所有用户在同样的时间使用同样的频带进行通信而不会互相干扰？这 种复用方法有何优缺点？

答：各用户使用经过特殊挑选的相互正交的不同码型，因此彼此不会造成干扰。   

这种系统发送的信号有很强的抗干扰能力，其频谱类似于白噪声，不易被敌人发现。

占用较大的带宽。

10.试比较xDSL、HFC以及FTTx接入技术的优缺点？

xDSL 技术就是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。成本低，易 实现，但带宽和质量差异性大。HFC网的最大的优点具有很宽的频带，并且能够利用已经有相当大的 覆盖面的有线电视网。要将现有的450 MHz 单向传输的有线电视网络改造为 750 MHz 双向传输的 HFC 网需要相当的资金和时间。FTTx（光纤到……）这里字母 x 可代表不同意思。可提供最好的带 宽和质量、但现阶段线路和工程成本太大。

11.为什么在ASDL技术中，在不到1MHz的带宽中却可以传送速率高达每秒几个兆比？

靠先进的DMT编码，频分多载波并行传输、使得每秒传送一个码元就相当于每秒传送多个比特