计算机网络——物理层和信道复用（频分、时分、码分）技术

1.物理层

如果一定要给物理层下定义，只能说是OSI模型中的最低层，实际上物理层考虑的是怎样才能在各种媒介上传输数据，而并非具体的传输媒体，物理层的主要任务是确定与传输媒体接口有关的一些特性，即：

1. 机械特性：尺寸、形状等
2. 电气特性：线路上电压范围
3. 功能特性：线路上电压高低表示的意义
4. 过程特性：各种事件的顺序

2.数据通信系统

上图是一个比较常用的通信系统的模型，PC产生的数字比特流经调制解调器转换成模拟信号再经过公用电话网进行传输，到达目的系统后经调制解调器产生数字比特流最终由PC转换为有用的信息。

其中调制解调器的作用就是在两种信号之间做转换，这两种信号就是：

1. 模拟信号：连续信号，消息参数的取值是连续的
2. 数字信号：离散信号，消息参数的取值是离散的

上述两种信号都是在信道上传输的，在信道上双方交互信息主要有以下三种基本方式：

1. 单向通信：单工通信，只有一个方向的通信，没有反方向的交互
2. 双向交替通信：半双工通信，双方都可以发送信息，但不能同时发送
3. 双向同时通信：全双工通信，通信双方可以同时发送和接收信息

有关信道的最高码元传输速率和信道的极限信息传输速率分别由奈式准则和香农公式给出定义。

接下来是物理层下的传输媒体，传输媒体分为导向传输媒体和非导向传输媒体，在目前个人来看，所谓导向和非导向传输媒体的区别实质就是有线和无线的区别。

导向传输媒体包括：

1. 双绞线
2. 同轴电缆
3. 光缆

非导向传输媒体就是自由空间，也就是常说的无线传输，无线传输是按照波段（或波长）进行分类的，这里不做赘述。

3.信道复用技术

“复用”是一种将若干个彼此独立的信号，合并为一个可在同一信道上同时传输的复合信号的方法

如下是复用的示意图：

复用技术常见以下几种：

1. 频分复用
2. 时分复用（统计时分复用）
3. 波分复用
4. 码分复用

3.1 频分复用

频分复用就是每个用户分配到一定的频带后，通信时一直占据着自己的频带，即就是每个用户占用的是不同的带宽资源（这里的带宽资源指的是频率带宽而不是数据的发送速率）。所以说，这种方法就是将不同频率的数据合成在同一信道发送，在接收端再将其分开。合成示意图如下：

3.2 时分复用

时分复用则是将时间划分为一段段等长的时分复用帧，再将每个帧划分等分给用户使用，每个时分复用的用户占用固定序号的时隙，每个用户所占的时隙是周期性地出现，其周期就是时分复用帧的长度，相比较频分复用，时分复用的所有用户是在不同的时间占用相同的频带宽度。

由时分复用的概念可知，当某段时间内，时分复用的某个用户暂时无数据传输时，则会让分配到的子信道（从时分复用帧中分配的时间片）空闲，这样就会浪费线路资源，如下图：

为了弥补线路资源浪费的缺点，对时分复用进行了改进，产生了统计时分复用。如下图是统计时分复用的工作原理：

统计时分复用的每个帧中的时隙数小于连接在集中器上的用户数，每个用户有了数据后随时发送到集中器的输入缓存当中，集中器按顺序扫描输入缓存，将数据集中起来组成每个STDM帧，对于没有输入缓存的就略过，所以STDM帧并不是固定分配间隙，而是由集中器按顺序扫描之后将存在数据组成STDM帧然后发送出去。由于每个用户的时隙序列并不固定，所以在分用器上将数据分用时就需要别的数据帮助分用，那就是上图中帧中红色部分的开销，这部分数据放入地址（序号）顺序，帮助分用器分用数据。

3.3 波分复用

波分复用WDM(Wavelength Division Multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，Multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术

波分复用就是光的频分复用，原理与频分复用大致相同，这里不再赘述。

3.4 码分复用

码分复用（CDM，常用CDMA（码分多址））：用一组包含互相正交的码字的码组携带多路信号，每一个用户可以在同样的时间使用同样的频带进行通信，由于各用户使用经过特殊挑选的不同码型，因此各用户之间不会造成干扰

在CDMA中，每个比特时间再划分为m个短的间隔，成为码片，通常m值为64或128，这里使用m = 8来举个例子说明码分复用：

规则如下：

1. 使用CDMA的每一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0，则发送该码片序列的二进制反码，按照惯例将码片中的0写成-1，将1写成+1

2. CDMA给每一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，用数学公式表示为，令向量S表示站S的码片向量，再令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的规格化内积为0

1. 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

2. 任何一个码片向量和该码片的反码的向量的规格化内积都是-1

如下图是一个例子：

要发送的数据为110，S站分配的码片序列为-1 -1 -1 1 1 -1 1 1，则-1 -1 -1 1 1 -1 1 1表示1，1 1 1 -1 -1 1 -1 -1 -1表示0。则根据分配的码片序列和要发送的数据可以得到S站点最终发送的信号为-1 -1 -1 1 1 -1 1 1（1） -1 -1 -1 1 1 -1 1 1（1） 1 1 1 -1 -1 1 -1 -1（0），与此同时当T站要发送的信号为-1 -1 1 -1 1 1 1 -1 -1 -1 1 -1 1 1 1 -1 1 1 -1 1 -1 -1 -1 1时，总的发送信号为-2 -2 0 0 2 0 2 0 -2 -2 0 0 2 0 2 0 2 2 0 0 -2 0 -2 0。

在接收端，当打算接收S站发送的信号时，就根据总的发送信号和S站分配的码片序列进行规格化内积得到S站发送的数据：

（-1 * -2 + -1 * -2 + -1 * 0 + 1 * 0 + 1 * 2 + -1 * 0 + 1 * 2 + 1 * 0）/8 = 1

（-1 * -2 + -1 * -2 + -1 * 0 + 1 * 0 + 1 * 2 + -1 * 0 + 1 * 2 + 1 * 0）/8 = 1

（-1 * 2 + -1 * 2 + -1 * 0 + 1 * 0 + 1 * -2 + -1 * 0 + 1 * -2 + 1 * 0）/8 = -1（表示数据0）

如上，即可通过总的信号和S站的码片得到S站点发送的数据。

有关物理层接入技术还有很多，像宽带接入使用的XDSL技术、HFC网等等，有兴趣可自行百度！

初识，不足之处还望指正！！