物理层_时钟信号 数据信号 物理层

物理层

1.数据通信物理基础

1. 物理层定义电气，时间，其他接口，通过这些接口位作为信号在通道上发送。
2. 傅立叶分析
周期性函数g(t)周期为T，可以写为以下等价形式
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$g(t)=\frac{1}{2}c+\sum _{n=1}^{\infty }{a}_{n}sin(2\pi nft)+\sum _{n=1}^{\infty }{b}_{n}cos(2\pi nft)$
$f=\frac{1}{T}$是基础频率
$a_n,b_n$是第n个谐波sin，cos振幅
c是常量

把周期函数按上式分解称为傅里叶分析
经过分析，
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$a_n=\frac{2}{T}{\int }_0^{T}g(t)sin(2\pi nft)dt$
$a_n=\frac{2}{T}{\int }_0^{T}g(t)cos(2\pi nft)dt$
$c=\frac{2}{T}{\int }_0^{T}g(t)dt$

3. 信号运行在0，到最大频率【单位赫兹或周期/s】称为基带信号。
	信号运行在高范围频率区间称为通带信号。
4. 给定位率 b bit/s
	时间
5. 限制带宽，限制了数据率。
6. 对电子工程师，带宽是以Hz测量的数量。模拟带宽。
	对计算机科学家，带宽是通道的最大数据率。以bit/s为测量单位。数字带宽。
7. 信号通过带宽为B的低频率通过过滤器，被过滤的信号可以通过每秒2B次采样进行重构。
	高于2B每秒的采样没有必要，因为采样可以恢复的高频部分已经被过滤掉了。
	
	如果信号有V个离散级别，奈奎斯特的理论：
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最大数据率 = $2Blo{g}_2(V)bits/sec$
香农：
最大数量 bits/sec = $Blo{g}_2(1+S/N)$
B为带宽，S/N为信号/噪音
8. 信号/噪音 = 信噪比
信噪比通常用 $10lo{g}_{1}0(S/N)$表达 ，单位dB

2.有向传输媒介

1. 磁性媒介
	磁盘，磁带
	容量大，成本低
2. 双绞线
	可用于传输模拟或者数字信号
	
	双全工链路：同一时刻，双向通信链路
	半双工链路：同一时刻，一个方向通信链路
	单工链路：任意时刻，一个方向通信链路
3. 同轴线缆
	铜心--绝缘材料--编织结构外部导体--塑料外壳
4. 电线
	同时携带电信号，数字信号
5. 光纤
	光传输系统三个关键部件
	光源
	传输媒介
	检测设备

	单模光纤：光以直线传递
	多模光纤：多个光以互不干扰内部折射前进方式传递
	
	玻璃内核--玻璃保护层--塑料套
6. 光纤和铜线比较
	光纤具备更高带宽，更少的衰减
	光纤不易受电流变化，电磁干扰，电力故障影响
	光纤不泄露光，不易被窃听
	光纤瘦和轻
	
	光纤对人技术要求高
	光纤是有向的，双向通信，需要两个光纤或者一个光纤上两个频带。
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无线传输

1. f：每秒震荡次数，又称频率。单位Hz。
	λ 波长
	c光速
	λ f = c
2. 无线传输
3. 微波传输
	高频，接近直线传播，不能穿透建筑
	用于长距离传输。
	相比光纤，不用布置线路。

	电磁频段政治因素
	频段授权：
	1. 多家通信公司提议，政府决定授权哪家。
	2. 随机抽取中标企业
	3. 频段拍卖

	无需授权即可使用的频段 ISM频段
4. 红外传输
	遥控器，短距离控制，不能穿过固体
5. 光传输
	激光接近直线传输，有向
6. 通信卫星
	接受进入频段信号，强化信号，以另一个频段将信号广播出去

	卫星高度确定其周期
	地球同步卫星：
	广播信息
	GPS：
	xxx
	近地轨道卫星：
7. 卫星对比光纤
	卫星具备快速部署能力，具备快速响应能力
	卫星没有地域限制
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数字调制和多路复用

1. 基带传输
	数字信号0/1转换为模拟信号，终端按固定时间间隔进行采样以将模拟信号恢复为数字信号0/1。
	- 带宽效率
	NRZ方案，两个模拟级别，依据奈奎斯特的理论要取得更高传输速度需要更高带宽。
	不改变带宽下，提供多个模拟级别，以一个对象包含多个数据位来提高传输速度。信号接收设备需要区分每个模拟级别。
	我们称信号变化的速率为符号速率，来将它和比特率区分。
	比特率 = 符号速率×每个符号代表的比特位
	
	- 时钟恢复
	为了接收器可以从模拟信号中恢复出传输的比特位。接收器需要识别处每个符号的开始和结束，这需要严格的时钟控制。
	除了，精确的时钟。还可以：
	通过XOR混合时钟信号，数据信号。
	时钟在每个比特位时间，制造一个时钟变换。
	每个时钟变换与比特位0 XOR的结果是低到高转变。每个时钟变换与比特位1 XOR的结果是高到低转变。称为曼切斯特编码，用于经典以太网。
	缺点要求两倍于NRZ的带宽
	编码1为一个变换，0为无变换，称为NRZI编码。
	缺点是持续很多0时，仍然存在辨别符号困难。
	解决方法1：4B/5B
	将4位一组，映射为一个5位结果。来避免超出3个连贯0的情况。
	解决方法2：将数据在发送前与伪随机序列XOR
	让发送的数据和伪随机序列一样随机，接收端用同样的伪随机序列恢复数据
	无法根本上杜绝连续0的发生
	- 平衡的信号
	任意周期，信号正伏特，负伏特可以相互抵消。
	直接方式来构造平衡码是使用+1V, -1V代表逻辑1,0V代表逻辑0，称为bipolar encoding

	另一种平衡编码。
	8B/10B线路码。
	保证0和1差异不超过2位，不会出现多于5个连续的1和0
	8位进一步分为5位组，3位组。5位组映射为6位组，3位组映射为4位组，再串联。
2.  通带传输
	放置信号在给定频率带
	将占据0～BHz的基带信号变化为占据S~S+BHz的通带信号，接收端再将其变为0～BHz的基带信号。
	规则或调制传输信号的振幅，频率，相位来区分不同比特位。
	变化级别越多，每个符号也就能表示越多比特位。
	可以综合使用振幅，相位，频率来调制。
	在集群图中，相邻点代表的位组只相差一个比特位的，称为Gray Code。
	
3. 频率划分多路复用
	多路复用方案用于在相同线路中传输各类信号。
	频率划分多路复用
	正交频率划分多路复用
4. 时间划分多路复用
5. 代码划分多路复用
	n个站，每个站分配一个m位芯片序列。
	n个站的芯片序列，相互正交。
	对特定站，发送其m位芯片序列代表发送1，发送其m位芯片序列反序列，代表发送0。

	发送前将n个站本次发送比特融合【相加】为一个融合后m位芯片序列，
	每个接收端将融合结果和目标站的m位序列内积，
	还原出此站发送的是1还是0.【内积结果为1，发送1，为-1发送0.为0，本站未发送】
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公共交换电话网络

1. 电话系统结构
	三个组成部分：
	本地环路【传输模拟信号，连接家庭和商业传输站】
	主干【数字信号，光纤，连接交换机构】
	交换机构【调用在主干间路由】
2. 电话政治
3. 本地环路
- 电话调制解调
采用每个符号对象携带多个比特位方式来在频率一定下，增加传输速率
- 数字订阅线
- 光纤到家
终端办公室连接到 光拆分/融合设备。每个光拆分融合设备连接100个家庭。
4. 中继和多路复用
- 数字化声音信号
- 时间划分多路复用
- SONET/SDH
- 波长划分多路复用
5. 交换机
环路交换，包交换
- 环路交换
在会话开始前，设置好端到端路径
- 包交换
不用提前设置好路径
以包为单位进程存储，转发
环路交换在建立连接时可能拥塞。包交换在包发送时，可能拥塞。
一个是有保证的服务但可能浪费资源，一个是无保证的服务但不浪费资源
环路交换，已经建立路径上，任一节点下线，整个传输将终止。包交换不是。
环路交换一般基于距离和时间收费。
包交换一般按传输容量收费和按月收费。
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移动电话系统

移动电话三代
- 模拟信号
- 数字信号
- 数字信号和数据
1. 1G移动电话-模拟信号
- 增强的移动电话系统
-通道
- 呼叫管理
2. 2G移动电话-数字信号
- GSM-移动通信的全球系统
3. 3G移动电话-数字信号和数据
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线缆TV

1. 社区天线TV
2. 线缆网络
3. 频段分配
4. 线缆调制解调
5. ADSL 对 线缆
ADSL每个用户的网速不受其他用户影响
线缆每个用户网速受使用网络用户个数影响
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