【学习笔记：计算机网络】Chapter 2：The Physical Layer

机械特性：接口的形状，大小，引线的数目
电气特性：规定电压范围（-5V到+5V）
功能特性：规定-5V代表0，+5V代表1
过程特性（规程特性）：规定建立连接时各个相关部件的工作步骤

数据通信的理论基础

傅里叶分析

任何一个行为合理周期为T的函数g(T)，都可以表示为用正弦函数和余弦函数组成的无穷级数：
$$g(t)=\frac{1}{2}c+\sum _{n=1}^{\infty }{a}_{n}sin(2\pi nft)+\sum _{n=1}^{\infty }{b}_{n}cos(2\pi nft)$$

带宽：在传输过程中频率不会明显减弱的频率的宽度
模拟带宽：单位为Hz
数字带宽表示一个信道的最大数据速率，以bps(bit/s)表示

基带信号：方波，衰减，传不远（靠形状识别，衰减之后高频部分没了，无法识别）
脉冲：接收方要求低（只要脉冲足够大就可以识别）

Nyquist’s theorem

比特率（bps）：每秒钟能传输的比特数
波特（率）：每秒能传输的符号的个数（符号 != 比特）

如果一个任意信号通过了一个带宽为B的低通滤波器，那么只要进行每秒2B次确切采样，就可以完全重构出被过滤的信号
即，如果一个电路带宽为h（即能传输的最大频率为h），则每秒能传输的符号个数最大为2h个（每个符号的比特数不一定）
可以推出用bit表示的表达式如下（B：带宽，V：信号包含V个离散等级）：
$$最大数据速率=2Blo{g}_{2}V(bit/s)$$
应用要求通讯环境无噪声（传输时没有外界干扰），有噪声会降（<2h）

Shannon’s fomula

信噪比（SNR）：信号功率与噪声功率的比值（用于度量热噪声的数量），信噪比越高听得越清楚
如果将信号功率记为S，噪声功率记为N，则信噪比为S/N
通常情况下该比率表示成对数形式 $10lo{g}_{10}S/N$，对数的取值单位称为分贝（dB）
对于一条带宽为B Hz， 信噪比为S/N的有噪声信道，其最大数据比特率（每秒能传输的比特上限）或容量是：
$$最大比特率=Blo{g}_2(1+S/N)$$

引导性传输介质

磁介质

磁带、磁盘等

双绞线（Twisted pairs）

两根相互绝缘的铜线。
绞在一起后，不同电线产生的干扰波会相互抵消，从而显著降低电线的辐射。
信号通常以两根电线的电压差来承载，这样对外部噪声有更好的免疫力，提高抗干扰性。
最常见的应用是电话系统。
最常用的是5类线（Cat 5），此外还有Cat 5E, Cat 6, …
5类线有四对双绞线（1-2, 3-6, 4-5, 7-8），不同局域网标准使用不同的双绞线，100Mbps以太网使用两对，1Gbps使用四对。

全双工（full-duplex）：可以双向同时使用的链路
半双工（half-duplex）：可以双向使用，但一次只能用一个方向
单工（simlex）：只允许一个方向上传输

同轴电缆（coaxial cable）

应用于有线电视、示波器等
带宽大于双绞线，但是比双绞线贵

电力线

将电力线用于数据通信

光纤（fiber）

多模光纤：任何入射角度大于临界值的光束都会在内部反射，许多不同的光束以不同的角度来回反射着向前传输。传输距离较近，便宜
单模光纤：直径减少到只有几个光波波长大学，光只能沿直线传播而不会反射。广泛应用于长距离传输，比较昂贵

光缆（fiber cables）：
类似同轴电缆，用于封装光纤（因为光纤较脆易断），在光纤中加入金属线提高强度

无线传输

电磁频谱

扩频方式：
1.跳频扩频（frequency hoping spread spectrum）
2.直接序列扩频（direct swquence spread spectrum）
3.超宽带通信（UWB，Ultra-WideBand）

无线电传输

微波传输

微波为视距通讯，由于地球表面为球体，要采用接力方式进行（每隔一段距离需要一个中继器，中继器之间距离大致与微波塔高成的平方根成正比，例如高度为100m的微波塔，两个中继器之间距离为80km）。
微波容易受到天气影响，但卫星通讯多采用微波，因为无线电中微波频率最大，带宽较大，到达地面范围大。

红外传输

光通信

通信卫星

数字调制与多路复用

数字调制：比特与代表它们的信号之间的转换过程。

基带传输

信号的传输占有传输介质上从零到最大值之间的全部频率

不归零（NRZ）：正电压表示为1，负电压表示为0。
不归零逆转（NRZI）：1定义为信号有跳变，0定义为信号无转变（解决连续1的问题）
曼切斯特编码：将数据信号与时钟信号异或混合，时钟在每个比特时间内产生一次跳变，以两倍于比特率的速度运行（需要两倍于NRZ的带宽，增加100%的贷款开销）。从低到高，表示0；从高到低，表示1。主要用在经典以太网上。
双极编码（交替标记逆转，AMI）：在很短的时间内正电压与负电压一样多的信号称为平衡信号。双极编码使用增加电压级别来实现信号平衡。比如用+1V或-1V表示1，用0V表示0。发送1是，发射器在+1V和-1V中选择，使得它们总是达到信号平衡。
4B/5B：用5bit的数来表示4bit的数，5bit模式的选择使得映射结果永远不会出现连续三个0。然后，再将得到的5比特代码使用NRZI编码传输。解决连续0的问题，增加25%带宽开销，编码效率为80%（4/5）。非数据代码组合可用于表示物理层的控制信号。

通带传输

信号占据了以载波信号频率为中心的一段频带

(b) 幅移键控（ASK） © 频移键控（FSK） (d) 相移键控（PSK）
PSK分为二进制相移键控（BPSK）和正交相移键控（QPSK）

在实际中，通常结合起来调制。但由于频率是相位的变化率，频率和相位不能一起调制。一般将振幅和相位一起调制。

频分复用（FDM）