计算机网络整理第二章（谢希仁）
计算机网络第二章——物理层
本章重点内容
1．物理层的基本概念：
机械特性 指明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。
电气特性 指明在接口电缆的各条线上出现的电压的范围。
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。
过程特性 指明对于不同功能的各种可能事件的出现顺序。
2．有关信号的几个基本概念：
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。
3．基带(baseband)信号和带通(band pass)信号：
3-1．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。
3-2．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)。
3-3．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）。
4．几种最基本的调制方法：
4-1．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。为了解决这一问题，就必须对基带信号进行调制(modulation)。
4-2．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。
（如图所示）
5．信道的极限容量：
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。
有失真，但可识别
失真大，无法识别
6．奈氏准则（注意，重点要来了，前面都是铺垫）
6-1．奈奎斯特(Nyquist)就推导出了著名的奈氏准则。他给出了在假定的理想条件下，为了避免码间串扰，码元的传输速率的上限值。
6-2．在任何信道中，码元传输的速率是有上限的，否则就会出现码间串扰的问题，使接收端对码元的判决（即识别）成为不可能。
6-3．如果信道的频带越宽，也就是能够通过的信号高频分量越多，那么就可以用更高的速率传送码元而不出现码间串扰。
7．香农公式（要会用，同样是重点）
7-1．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。
7-2．信道的极限信息传输速率 C 可表达为
C = W log2(1+S/N) b/s
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。
7-3．那么香农公式说明了什么呢？
7-3-1．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。
7-3-2．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。
7-3-3．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。
7-3-4．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。
(PS: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。)
8．传输媒体（这块只考它的特点和优缺点）
8-1．传输媒体：
双绞线
就是把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合在一起，绞合可以减少对相邻导线的电磁干扰。模拟传输和数字传输都可以使用双绞线，其通信距离一般为几到十几公里。距离太长就要加放大器（对于模拟传输），或者加上中继器（数字传输）。导线越粗，传递距离越远。
同轴电缆
由于外导体屏蔽层的作用，具有很好的抗干扰性。
光缆
1.传输损耗小，中继距离长，对远距离传输特别经济
2.抗雷电和电磁干扰性好
3.无串音干扰，保密性好
4.体积小，重量轻
8-2．非导引型传输媒体：
特点：自由空间
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。
9．信道复用技术（这里只需要了解频分复用、时分复用和统计时分复用）
9-1．复用(multiplexing)是通信技术中的基本概念
那么什么是复用呢？百度百科的解释如下：
为了使若干个这种信号能在同一信道上传输，可以把它们的频谱调制到不同的频段，合并在一起而不致相互影响，并能在接收端彼此分离开来。（理解这段话有助于下面的学习）
9-2．频分复用 FDM(Frequency Division Multiplexing)
频分复用的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）。（PS：这样就保证了各路信号互不干扰）
9-3．时分复用TDM(Time Division Multiplexing)
9-3-1．时分复用则是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。
9-3-2．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）。
9-3-3．TDM 信号也称为等时(isochronous)信号。
9-3-4．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。
（PS：时分复用可能会造成线路资源的浪费，使用时分复用系统传送计算机数据时，
由于计算机数据的突发性质，用户对分配到的子信道的利用率一般是不高的）
（此图很直观啊）
9-4．统计时分复用 STDM(Statistic TDM)
统计时分复用是一种改进的时分复用，他能够能明显的提高信道的利用率，这里提出一个概念，普通的时分复用是同步的，而统计时分复用是异步的，为什么这样说呢？统计时分复用是没有固定的时间间隙的，它向用户提供了一个集中器（用户有了数据就可以向集中器的输入缓存中写入数据，然后集中器按顺序扫描缓存，如果存在数据，那么就将其装入STDM帧中，当一个帧装满时，那么就把他发送出去，所以我们说他是异步的，并且统计时分复用也是没有固定的时间间隙的）。
10．数字传输系统（要求知道 T1 和 E1的来源）
10-1．由于历史上的原因，PCM 有两个互不兼容的国际标准，即北美的 24 路 PCM（简称为 T1）和欧洲的 30 路PCM（简称为 E1）。我国采用的是欧洲的 E1 标准。
10-2．E1 的速率是2.048 Mb/s，而 T1 的速率是1.544 Mb/s。
本章重点习题
2-07 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
2-08 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？）
答：C=Wlog2（1+S/N）(b/s)
W=3khz，C=64khz----àS/N=64.2dB 是个信噪比要求很高的信源
2-09 用香农公式计算一下，假定信道带宽为为3100Hz，最大信道传输速率为35Kb/ｓ，那么若想使最大信道传输速率增加60%，问信噪比Ｓ/Ｎ应增大到多少倍？如果在刚才计算出的基础上将信噪比Ｓ/Ｎ再增大到十倍，问最大信息速率能否再增加20%？
答：C = W log2(1+S/N) b/s-àSN1=2*（C1/W）-1=2*（35000/3100）-1 SN2=2*（C2/W）-1=2*（1.6*C1/w）-1=2*（1.6*35000/3100）-1 SN2/SN1=100信噪比应增大到约100倍。 C3=Wlong2（1+SN3）=Wlog2（1+10*SN2） C3/C2=18.5%
如果在此基础上将信噪比S/N再增大到10倍，最大信息通率只能再增加18.5%左右。