【计算机网络】第二章：物理层

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第二章：物理层

物理层定义了比特作为信号在信道上发送时相关的电器、时序和其他接口。

2.1 数据通信的理论基础

数据通信的理论基础是傅里叶分析。

• 带宽(bandwidth)：传输过程中振幅不会明显减弱的频率的宽度。在电气领域，带宽是以Hz为单位来度量的；在计算机领域，带宽表示一个信道的最大数据速率，以bps来衡量。
• 基带(baseband)信号：从0到某个最大频率的信号。
• 通带(passband)信号：被搬运并占用某个更大频率范围的信号。
• 奈奎斯特定理：对于一个有限带宽的无噪声信道，有：$$最大传输速率=2Blo{g}_{2}V（比特/秒）$$ 其中 B 为带宽，V为信号包含的离散等级个数。
• 信噪比(SNR, Signal-to-Noise Ratio)：信号功率与噪音功率的比值。将信号功率记为S，噪音功率记为N，则信噪比为S/N. 注意，SNR有对数的表现形式，为$10lo{g}_{10}S/N$, 此时区直单位为dB.
• 香农定理：在有噪音的信道中，有：$$最大数据传输率=Blo{g}_2(1+S/N)$$ 其中B为带宽，S/N为信噪比。

2.2 引导性传输介质

物理层的作用是将比特从一台机器传输到另外一台机器。实际传输使用的物理介质可以有多种选择。大致上可以分为引导性介质（有限介质）和非引导性介质（无线介质）。

• 全双工(full-depelx)：可以双向同时使用的链路。例如电话。
• 半双工(half-duplex）：可以双向使用，但一次只能使用一个方向上的链路。例如对讲机。
• 单工链路(simplex)：只允许一个方向上传输的链路。例如电视机。

介质：

• 磁介质
• 双绞线(twisted pair)：由两根相互绝缘的铜线组成。
• 非屏蔽双绞线(UTP, Unshielded Twisted Pair)：仅由导线和绝缘层简单地构成。
• 同轴电缆(coaxial cable)：由硬的铜芯和外面包上的一层绝缘材料组成。比UTP具有更好的屏蔽特性和更大的带宽，所以能以很高的速率传输相当长的距离。如今广泛使用的同轴电缆分为两种：1. 50欧姆电缆，用于数字传输；75欧姆电缆，用于模拟传输和有线电视传输。
• 电力线：
• 多模光纤(multimode fiber)：每一束光都有不同的模式。
• 单模光纤(single-mode fiber)：光纤直径减少到只有几个光波波长大小的时，光纤就如同个波导，光只能按直线传播而不会反射。单模光纤较昂亏，且适用于远距离传输。

2.3 无线传输

• 频率(frequency)：电磁波每秒振动的次数。用f表示，单位为Hz.
• 波长(wavelength)：通常用希腊字母$\lambda$表示，指的是两个相邻波峰（波谷）之间的距离。

2.4 通信卫星

2.5 数字调制与多路复用

• 数字调制(digital modulation)：比特与代表它们的信号之间的转换过程。
• 基带传输(baseband transmission)：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。
• 通带传输(passband transmission)：信号占据了以载波信号为中心的一段频带。允许不同的信号共存。
• 多路复用技术(multiplexing)：信道被多个信号共享。多路复用技术可以被多种不同的方式实现，例如时分复用、频分复用、码分复用等。

2.5.1 基带传输

• 波特率(baud rate)：由又称为符号率( symbol rate)，指信号改变的速率。

• 比特率(bit rate)：波特率与每个波特的比特数的乘积。

• 非归零码(NRZ, Non-Return-to-Zero)：正电压表示1，负电压表示0. （对于光纤而言，可用光存在表示1，没有光存在表示0）。

• 曼彻斯特编码(Manchester)：当时钟与0电压异或时，时钟信号从低到高跳变，表示逻辑0；当时钟与1电压异或时，时钟信号从高到低跳变，表示逻辑1.（反过来亦可）。其缺点在于需要两倍于NRZ的带宽。

• 不归零逆转(NRZI, Non-Return-to-Zero Inverted)：1定义为信号有跳变，0定义信号无转变。

• 扰频/倒频(scrambling)：发送数据之前，用一个伪随机序列异或该数据，收到后用相同的序列对入境数据进行异或操作，进而得到真正的数据。

• 双极编码(bipolar encoding)：两个电压级别表示逻辑1.
  

• 平衡信号(balanced signals)：在很短的时间内正电压与负电压一样多的信号。信号均值为0，意味着没有直流电气分量。

• 电容耦合(capacitive coupling)：只允许交流部分通过。

2.5.2 通带传输

• 幅移键控(ASK, Amplitude Shift Keying)：通过两个不同的幅值分别表示0和1.

• 频移键控(FSK, Frequency Shift Keying)：两个或者更多不同频率来表示振幅。

• 相移键控(PSK, Phase Shift Keying)：又称为二进制相移键控，在每个符号周期中，系统把载波波形偏移0度或180度.
  

• 频分复用(FDM, Frequency Division Multiplexing)：利用通带传输使多个用户共享一个信道。它将频率分为多个频段，每个用户完全拥有其中的一个频段来发送自己的信号。

• 时分复用(TDM, Time Division Multiplexing)：用户以循环的方式轮流工作，每个用户周期性的获得整个带宽的一个非常短的时间。

• 波分复用(WDM)：将两种或多种不同的波长光载波信号在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光光线的同一根光纤中进行传输。

• 码分复用(CDM)：把信号扩展到一个很宽的频带上，允许不同用户的多个信号共享相同的带宽，每个用户可以发送码片序列，最终利用正交归一化得到信号。这是完全不同于FDM与TDM的工作方式。

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